CN1399130A - 测量样品电阻率的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种测量样品的电阻率的装置和方法，该样品具体而言是一个以水泥为基础的材料的样品。该装置包括变压器，变压器由一个原线圈和由所述以水泥为基础的材料的样品构成的次级线圈组成。该装置还包括将电压供给所述原线圈的装置，测量在所述样品上所感应出的电压的装置，以及测量在所述样品上所感应出的电流的装置。可以测量样品的电阻并从而计算出混凝土样品的电阻率来。

Description

测量样品电阻率的装置和方法
技术领域
本发明涉及测量样品电阻率的装置和方法，更具体地说，涉及测量混凝土和以水泥为基础的材料的电阻率的装置和方法。与常规技术比较，所述装置和方法改善了精度和重复性。
背景技术
混凝土和类似的以水泥为基础的材料，在建筑工业中得到广泛应用，因为它们是非常通用的价格低廉的建筑材料。在许多应用中，必需或希望测量混凝土或其它以水泥为基础的材料的电阻率。
例如在确定这种材料的物理性质和特性时，特别是考虑到要监测这种性质如何随着材料的使用时间而改变时，就要进行这种测量。另外在许多情况下，可用混凝土和以水泥为基础的材料来建造建筑物和房间，以便研究、制造和存贮电子部件和半导体产品。在这种情况下，往往希望建造电气屏蔽的房间。如果利用混凝土或以水泥为基础的材料作为主要的建造材料，则必需能够确定混凝土等的电阻率。
通常，混凝土或以水泥为基础的材料的电阻率是这样确定的：制造一个棱柱体材料样品，然后测量放在该样品相对两侧的二个平板电极之间的电流和电压。显然，在这种测量电阻率的常规方法中，平板电极和样品之间的接触极为重要。如果接触松了，测量就不精确，有时还会毫无意义。
为了改善接触，可以在样品侧面与电极之间放置新鲜的水泥净浆(cement paste)或胶体石墨(colloidal graphic)。另外，还可施加外力，将电极与样品的侧面牢固地夹紧。然而，这些方法只在测量开始时是有效的，因为样品的水合作用会引起收缩，导致在该样品中形成裂纹和裂缝，这意味着再也不能可靠地进行测量。另外，当使用水泥净浆来改善连接时，因为水泥净浆是高度碱性的，会腐蚀电极，因此不得不定期地更换电极。
总之，现在还没有一种完全令人满意的方法，可用以对混凝土或以水泥为基础的材料的电阻率进行可靠和可重复的测量。
发明内容
根据本发明提供了一种用于测量材料样品的电阻率的装置，该装置包括：由原线圈和由所述样品构成的次级线圈形成的变压器，将电压加到所述原线圈上的装置，测量在所述样品上所感应出的电压的装置，以及测量在所述样品上所感应出的电流的装置。
最好，所述样品是混凝土或以水泥为基础的材料制成的样品。
在第一个实施例中，变压器为双臂式变压器，并且原线圈和次级线圈都是围绕着变压器芯而形成的。
在第二个实施例中，变压器为单臂式变压器，并且原线围绕在变压器芯周围，而所述次级线圈围绕所述单臂而形成。
最好该样品制成为所述以水泥为基础的材料的一个环。该环可以是圆环形或是矩形。
最好电压测量装置包括一个在所述环的表面上形成并在圆周方向上周围所述样品而延伸的线圈。最好电流测量装置包围所述样品的径向截面。该电流测量装置可以是泄漏电流测量仪(leakage current meter)或者是Rrogowski线圈。
从另一方面看，本发明提供了一种测量材料样品电阻率的方法，其包括：
(a)制成所述材料的样品，作为变压器的次级线圈；
(b)将电压加在所述变压器的原线圈上；
(c)测量在所述样品上所感应出的电压；
(d)测量在所述样品上所感应出的电流；和
(e)由步骤(c)和(d)的结果，确定所述样品的电阻率。
附图说明
现在结合附图，通过示例方式说明本发明的一些实施例。其中：
图1为本发明的第一个实施例的示意图；
图2为本发明的第二个实施例的示意图；
图3表示等价电路；
图4表示混凝土样品的截面；
图5为示意图，表示同样形状的三个混凝土样品的结果；和
图6为示意图，表示利用传统方法所测的样品电阻率。
具体实施方式
本发明克服了或至少是减轻了先前技术的问题。本发明提供了一种确定混凝土或以水泥为基础的材料的电阻率的装置和方法，其无需使用与样品接触的电极，而代之以使用一种无接触的以变压器为基础的方法，在该方法中，使材料样品形成为所述变压器的次级线圈。
图1表示本发明的第一个实施例。在这个实施例中，设置一双臂型变压器芯1，原线圈2绕在变压器芯的中间臂3的周围。在本发明的这一实施例中，变压器的次级线圈由所要测量的混凝土或以水泥为基础的材料的样品4构成。样品4为混凝土或以水泥为基础的材料模制成的一个环。样品4可以是如图1所示的圆环，或者是更易于模制的矩形环。在样品4的上表面上形成单一一个线圈5，从而可进行圆环面的电压测量，为了测量在样品中流动的电流，在样品截面周围设置一个Rrogowski线圈或泄漏电流测量仪。
图2表示另一实施例。在该实施例中，变压器是单臂型。原线圈绕在变压器芯周围，而所要测量的材料的样品制成一个环，围绕着变压器的单臂。
在使用本发明的实施例时，将交流电压加在原线圈上，结果，在次级线圈，亦即混凝土或以水泥为基础的材料的样品上，感应出圆环面电压(V)。通过测量这一圆环面电压和在样品中流动的感应电流，即可确定样品的阻抗和电阻率。这点将参考表示等价电路的图3和表示材料样品截面的图4，在下面样品为圆环的例子中加以说明。
在样品中所感应出的电流与样品的半径r有关，并且电流沿样品直径的分布具有正比于l/r的梯度。通过采用Rrogowski线圈或相似的泄漏电流测量仪，围绕在次级线圈的整个横截面周围，将电流积分，所测得的结果(I)与形成次级线圈的样品的精确位置或电流测量点的精确位置无关。
因为混凝土和以水泥为基础的材料的物理特性，它们并非纯电阻。等价电路表示于图3，图中R为样品的电阻，C为样品的电容。
混凝土样品的电阻率可由下式计算：
                  R＝Rh.ln(rex/rin)/2π
式中h为圆环样品的高度；rex为外半径；rin为内半径；R由下式计算：
                  R＝Vp-p/(Ip-pcos)
式中Vp-p为圆环面电压(峰-峰值)；Ip-p为样品中流动的电流(峰～峰值)；为圆环面电压和电流之间的相位差。在测量期间可以测量该相位差，而实际上它接近于零。理论上，电阻率可能与频率有关，但在1MHz～2NHz频率范围内，可以认为电阻率与频率无关。因此可以选择2MHz作为合适的测量频率。
图5表示用波特兰I型(Portland Type I)水泥和水(水与水泥的比例为0.5)所制成的三个形状相同的样品的电阻率与时间的关系曲线。三条曲线相同，显示本发明的测量方法具有非常好的可重复特性。与图5相反，图6表示采用带电极的传统方法所测出的相同的混凝土样品的电阻率与时间关系的曲线，可以看出，传统方法所测出的电阻率较高，这可能是样品与电极间接触的结果。另外，采用传统方法所测出的电阻率随时间而有较大的增加。
虽然以混凝土的电阻率的测量而说明了本发明的实施例，但应当了解，本发明也可用于测量其它材料(例如土壤)的电阻率。本发明的另一种可能的应用是测量吊桥缆索的电阻率，用以检测断裂的地方(断裂处电阻率增大)。

Claims (12)

1.一种用于测量材料样品的电阻率的装置，其包括：由原线圈和由所述样品构成的次级线圈形成的变压器；将电压加在所述原线圈上的装置；测量在所述样品上所感应出的电压的装置，以及测量在所述样品上所感应出的电流的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述变压器为双臂式变压器，并且其特征还在于所述原线圈和所述次级线圈二者均围绕着变压器芯而形成。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述变压器为单臂式变压器，并且其特征还在于所述原线圈围绕在变压器芯周围，而所述次级线圈则围绕所述单臂而形成。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述样品为混凝土或以水泥为基础的材料制成的样品。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于所述样品制成为由所述以水泥为基础的材料的一个环。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述环为圆环形的。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述环为矩形的。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述电压测量装置包括一个在所述环的表面上形成并在圆周方向上围绕所述样品而延伸的线圈。
9.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述电流测量装置包围着所述样品的径向截面。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述电流测量装置为泄漏电流测量仪(leakage current meter)。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述电流测量装置为Rrogowski线圈。
12.一种测量材料样品的电阻率的方法，其包括：
(a)将所述材料的样品制成为变压器的次级线圈；
(b)将电压加在所述变压器的原线圈上；
(c)测量在所述样品上所感应出的电压；
(d)测量在所述样品上所感应出的电流；以及
(e)由步骤(c)和(d)的结果，确定所述样品的电阻率。
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