KR102391635B1 - Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Liquid Dielectrics - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a precise measurement device of the dielectric constant of liquid dielectric, wherein an error in measurement is minimized using the principle of cross capacitance. The present invention provides a precise measurement device of the cylindrical dielectric constant of liquid dielectric, comprising: four main electrodes symmetric in four directions, arranged with minute gaps therebetween and having a cross section in the shape of an arc; cylindrical guard electrodes arranged with minute gaps from upper ends and lower ends of the four main electrodes to have ground voltage and having the inner diameter identical to the inner diameter of the four main electrodes; a cylindrical insulator for electrically insulating the outer circumference surfaces and the bottom surfaces of the four main electrodes and the guard electrodes by enveloping the same while maintaining gaps between the four main electrodes and gaps between the four main electrodes and the guard electrodes to be uniform; and a cylindrical case for shielding static electricity by enveloping the outer circumference surface and the bottom surface of the insulator and formed to be able to contain liquid to be measured.

Description

액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치{Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Liquid Dielectrics}Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Liquid Dielectrics

본 발명은 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 원리를 이용하여 각종 액체 유전체의 유전특성 중 가장 중요한 유전상수를 정밀하게 측정하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 정확도로 측정오차를 최소화하는 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for accurately measuring the most important dielectric constant among dielectric properties of various liquid dielectrics using the cross capacitance principle, and more particularly, to a cylindrical liquid dielectric that minimizes measurement errors with high accuracy It relates to a precision measuring device for dielectric constant.

국제 규격 IEC 60249에서 권고하고 있는 액체의 유전상수 측정을 위한 표준방법은 2-단자형 전극 구조로서 두 개의 금속 실린더 사이에 측정 대상 액체를 주입한 후 측정된 전기용량(capacitance)과, 그 측정 대상 액체를 제거한 후 공기 중에서 측정된 전기용량의 비를 산출하여 결정한다.The standard method for measuring the dielectric constant of a liquid recommended by the international standard IEC 60249 is a two-terminal electrode structure, after injecting the liquid to be measured between two metal cylinders, the measured capacitance, and the measurement target It is determined by calculating the ratio of the measured capacitance in air after the liquid has been removed.

그러나 이는 전극이 금속 재질로 이루어지고, 절연체가 용융형 유리 등으로 이루어져 있기 때문에 측정 대상 액체를 측정용 셀(장치)에 주입하기 전후마다 전극 구조를 매번 분해하여 세척한 후 재조립해야 한다.However, since the electrode is made of a metal material and the insulator is made of molten glass, etc., the electrode structure must be disassembled, cleaned, and reassembled every time before and after injecting the measurement target liquid into the measurement cell (device).

또한, 전극 구조를 재조립할 때마다 대향 전극 간의 위치가 변화되기 때문에 동일한 전기용량을 얻는다는 것은 거의 불가능하다.In addition, it is almost impossible to obtain the same capacitance because the position between the opposing electrodes is changed every time the electrode structure is reassembled.

따라서 측정할 때마다 측정용 셀 자체의 특성을 교정해야 한다. 즉, 측정장치에 이미 유전상수를 알고 있는 액체를 이용하여 유전상수 측정장치의 자체 특성을 교정해야 한다.Therefore, it is necessary to calibrate the characteristics of the measuring cell itself every time it is measured. That is, it is necessary to calibrate the characteristics of the dielectric constant measuring device by using a liquid whose dielectric constant is already known in the measuring device.

한편, 유전체가 벤젠과 같이 증발되기 쉬운 액체인 경우 표면에서 증발될 때 기화열에 의해 표면의 온도가 하부보다 낮아지게 되어 온도의 불균형으로 인한 전기용량의 측정오차는 필연적으로 발생하는 문제점이 있다.On the other hand, when the dielectric is a liquid that is easily evaporated, such as benzene, when it evaporates from the surface, the temperature of the surface becomes lower than that of the lower part by the heat of vaporization, so there is a problem inevitably causing a measurement error of capacitance due to temperature imbalance.

또한, 유전상수를 측정하기 위한 측정용 셀은 측정 대상 액체의 상태에 맞게 제작해야 하며, 전극의 모서리 효과(edge effect)를 제거하기 위해 대향 전극 중 한쪽 전극을 가드(guard)전극으로 에워싸야 한다.In addition, the measurement cell for measuring the dielectric constant must be manufactured according to the state of the liquid to be measured, and one of the counter electrodes must be surrounded by a guard electrode in order to remove the edge effect of the electrode. .

따라서 2-단자형 전극 구조는 전기용량 측정 과정에서 외부의 각종 잡음에 의한 영향 및 부유용량 등으로 인한 전기장 분포의 불안정으로 측정오차는 약 0.5~1% 정도에 머무른다.Therefore, in the two-terminal electrode structure, the measurement error is about 0.5 to 1% due to the instability of the electric field distribution due to the influence of various external noises and the stray capacitance during the capacitance measurement process.

이를 보완하기 위해 본 발명자가 개발한 3-단자형 전극 구조가 특허문헌 1에 개시되어 있다.In order to supplement this, the 3-terminal electrode structure developed by the present inventor is disclosed in Patent Document 1.

즉, 3-단자형 전극 구조는 대향 전극 중 한쪽 전극의 주위에 적절한 간격과 크기를 지닌 가드전극을 추가하고 있다.That is, in the three-terminal electrode structure, a guard electrode having an appropriate spacing and size is added around one of the counter electrodes.

그러나 3-단자형 전극 구조도 측정 시마다 장치의 세척 및 재조립에 따른 문제점과 온도 영향에 대한 문제점은 여전히 남아 있다.However, when measuring a 3-terminal electrode structure, there are still problems due to the cleaning and reassembly of the device and the temperature effect.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명자가 선행하여 개발한 크로스 커패시턴스 원리를 적용한 유전상수 측정용 셀이 특허문헌 2에 개시되어 있다.In order to solve this problem, a cell for measuring dielectric constant to which the cross-capacitance principle previously developed by the present inventor is applied is disclosed in Patent Document 2.

이는 석영 또는 세라믹 등의 절연체로 이루어진 시험관의 외부 표면을 금으로 도금하고, 그 도금 표면을 부분적으로 제거하여, 이 시험관의 축 방향으로 배치된 4개의 대향하는 전극 및 이 대향하는 전극의 상하에 배치되어 접지 전위를 갖는 가드전극으로 구성되어 있다.In this case, the outer surface of a test tube made of an insulator such as quartz or ceramic is plated with gold, the plating surface is partially removed, and the four opposed electrodes arranged in the axial direction of the test tube and the opposite electrodes are placed above and below the test tube. It is composed of a guard electrode having a ground potential.

즉, 특허문헌 2는 모든 전극이 석영과 같은 절연체 시험관의 외벽에 고착된 상태이므로 기존과 달리 분해, 세척, 건조, 재조립의 번거로운 과정이 불필요하고, 소량의 액체만으로도 측정이 가능하며 산류의 화학약품과 금속 전극과의 화학반응에 대한 문제점을 해소할 수 있다.That is, in Patent Document 2, since all electrodes are adhered to the outer wall of an insulator such as quartz, the cumbersome process of disassembly, washing, drying, and reassembly is unnecessary, unlike the existing ones, and it is possible to measure with only a small amount of liquid, and chemical It can solve the problem of chemical reaction between chemicals and metal electrodes.

아울러 시험관의 내부에 측정 대상 액체를 채운 상태로 전기용량을 측정하는 구조적 특성상 액체의 특성뿐만 아니라 석영 등 절연체의 특성이 혼합된 상태로 측정되기 때문에 각 시험관의 특성을 실험적으로 한 번만 정해 놓으면 여러 가지 액체를 빠른 시간 내에 정확하게 측정할 수 있다.In addition, due to the structural nature of measuring capacitance with the liquid to be measured filled inside the test tube, not only the properties of the liquid but also the properties of insulators such as quartz are measured in a mixed state. Liquids can be measured accurately in a short time.

그러나 금 코팅에 의한 전극이 석영 시험관의 외벽에 형성되면 도 1의 (1)과 같이 측정 대상 액체의 유전상수가 석영 자체의 유전상수보다 낮은 3.78 이하인 경우 측정오차가 0.5% 이하가 되지만 측정 대상 액체의 유전상수가 증가함에 따라 측정오차는 급격히 커지는 문제점을 지니고 있다.However, when the gold-coated electrode is formed on the outer wall of the quartz test tube, as shown in FIG. 1 (1), if the dielectric constant of the liquid to be measured is 3.78 or less, which is lower than the dielectric constant of the quartz itself, the measurement error will be 0.5% or less, but the liquid to be measured As the dielectric constant of , the measurement error increases rapidly.

예를 들면, 유전상수가 50인 액체의 경우 측정오차가 거의 48% 정도에 이르게 된다.For example, in the case of a liquid having a dielectric constant of 50, the measurement error is almost 48%.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법 가운데 도 1의 (2)와 같이 석영과 같은 절연체 시험관의 내부에 전극을 형성하면 오차는 거의 영(zero)이 된다. Among the methods for solving this problem, when an electrode is formed inside an insulator test tube such as quartz as shown in FIG. 1 ( 2 ), the error becomes almost zero.

그러나 한쪽이 폐쇄된 시험관의 내주면(안쪽 곡면) 전체에 금을 코팅하기가 극히 어려운 데다 시험관의 내주면에 금을 코팅하더라도 그 금 표면에 작은 폭의 선을 제거하여 주전극 4개와 가드전극 2개를 형성하기에는 기술적인 문제가 크고, 또 시험관 외부로 전기적 배선을 인출하는 것도 매우 어려운 한계가 있다.However, it is extremely difficult to coat the entire inner circumferential surface (inner curved surface) of a test tube that is closed on one side, and even if gold is coated on the inner circumferential surface of the test tube, a small line is removed from the gold surface to form 4 main electrodes and 2 guard electrodes. There is a big technical problem to form, and it is very difficult to draw the electrical wiring out of the test tube.

여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.The background or prior art described herein is information possessed by the inventor or acquired in the process of deriving the present invention, and is only intended to help in understanding the technical meaning of the present invention, and prior to the filing of the present invention, the technology to which this invention belongs This does not mean that the technology is widely known in the field.

대한민국 특허공개 제10-1991-0005057호 공개일 1991.03.29Republic of Korea Patent Publication No. 10-1991-0005057 Publication Date 1991.03.29 대한민국 특허등록 제10-0299310호 등록일 2001.06.07Republic of Korea Patent Registration No. 10-0299310 Registration Date 2001.06.07

이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 IEC 방법, 3단자 전극 방법, 석영 시험관 방법에서의 기술이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, Thompson-Lampard의 정전기 이론에 근거한 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 원리를 적용하여 모든 종류의 액체 유전상수 측정오차를 0.05% 이하의 수준으로 최소화하는 효과를 도모할 수 있는 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.Therefore, the present inventor comprehensively considers the above-mentioned issues and at the same time, based on the electrostatic theory of Thompson-Lampard, from the idea of solving the technical limitations and problems of the existing IEC method, the three-terminal electrode method, and the quartz test tube method By applying the cross-capacitance principle, we put great effort into developing a precision measuring device for cylindrical dielectric constant of liquid dielectric that can achieve the effect of minimizing all kinds of liquid dielectric constant measurement error to a level of 0.05% or less. As a result of continuous research, the present invention was created.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 측정오차를 최소화할 수 있도록 하는 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 제공하는 데 있는 것이다.Accordingly, it is an object and technical problem to be solved by the present invention to provide a cylindrical dielectric constant precision measuring device of a liquid dielectric to minimize the measurement error.

여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.Here, the technical problems and objects to be solved by the present invention are not limited to the technical problems and objects mentioned above, and other technical problems and objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 착상을 구체화하면서 특정의 기술적 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적인 수단은, 사방으로 대칭을 이루면서 상호 미소한 갭(gap)을 두고 배치되며, 횡단면이 호형으로 형성된 4개의 주전극, 상기 4개의 주전극 상단과 하단에 미소한 갭을 두고 접지 전위를 갖도록 각각 배치되며, 상기 4개의 주전극이 이루는 내경과 동일한 내경을 갖는 원통형 가드전극, 상기 4개의 주전극들 간의 갭 및 상기 4개의 주전극들과 상기 가드전극 간의 갭을 균일하게 유지시키면서 상기 4개의 주전극들 및 상기 가드전극들의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 전기적으로 절연시키는 원통형 절연체 및 상기 절연체의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 정전기를 차폐하고 측정 대상 액체를 담을 수 있도록 형성된 원통형 케이스를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 제시한다.Specific means according to an aspect of the present invention for effectively achieving a specific technical purpose while embodying a new idea for solving the technical problem of the present invention as described above is, while forming symmetry in all directions, a minute gap (gap), the four main electrodes formed in an arc-shaped cross section, each of which is arranged to have a ground potential with a minute gap at the upper and lower ends of the four main electrodes, and the inner diameter of the four main electrodes is the same A cylindrical guard electrode having an inner diameter, a gap between the four main electrodes and an outer circumferential surface (outer curved surface) of the four main electrodes and the guard electrodes while uniformly maintaining the gap between the four main electrodes and the guard electrode and a cylindrical insulator that surrounds and electrically insulates the bottom surface, and a cylindrical case formed to surround the outer peripheral surface (outer curved surface) and bottom surface of the insulator to shield static electricity and contain the liquid to be measured. A precision measuring device for cylindrical dielectric constant of liquid dielectric is presented.

이로써 본 발명은 액체 유전체의 유전상수 측정 시 측정오차의 정도를 최소화할 수 있다.Accordingly, the present invention can minimize the degree of measurement error when measuring the dielectric constant of the liquid dielectric.

본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 케이스 내에 액체 유전체 시료를 넣은 상태에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 후, 액체 유전체 시료를 제거하고 공기 중에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 값을 수학식 4에 대입하여 유전상수(

Figure 112020122042311-pat00001
)를 산출하는 것을 특징으로 하는 액체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제시한다.As a preferred embodiment of the present invention, cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 is measured in a state where a liquid dielectric sample is placed in the case, and after measuring the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4, the liquid Remove the dielectric sample, measure the cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 in air, and substitute the measured cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 into Equation 4 to obtain the dielectric constant (
Figure 112020122042311-pat00001
) presents a precision measuring device for dielectric constant of a liquid dielectric, characterized in that it is calculated.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명의 기술사상 및 실시 예(embodiment)에 따르면, 유전상수 4.0~81.0의 범위에서 측정오차를 0.01~0.03% 정도로 최소화하는 우수한 효과가 있다.According to the technical idea and embodiment of the present invention, which is based on a unique solution to solve the above technical problem, an excellent effect of minimizing the measurement error to about 0.01 to 0.03% in the range of the dielectric constant 4.0 to 81.0 there is.

여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.Here, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 액체용 유전상수 측정장치의 원통형 전극 형태에 따른 측정오차 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치 중 주전극 및 가드전극을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 나타낸 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 나타낸 확대 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치의 주전극과 가드전극의 두께 변화에 따른 측정오차 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 개략적으로 나타낸 확대 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 분해하여 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 나타낸 종단면도이다.
1 is a graph showing a measurement error analysis result according to the shape of a cylindrical electrode of a dielectric constant measuring device for a liquid.
2 is a perspective view showing a main electrode and a guard electrode in the precision measuring device for the cylindrical dielectric constant of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view showing a cylindrical dielectric constant precision measuring device of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention.
4 is a longitudinal cross-sectional view showing a cylindrical dielectric constant precision measuring apparatus of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged cross-sectional view showing a cylindrical dielectric constant precision measuring apparatus of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the measurement error analysis results according to the thickness change of the main electrode and the guard electrode of the precision measuring device for the cylindrical dielectric constant of the liquid dielectric according to the embodiment of the present invention.
7 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a cylindrical dielectric constant precision measuring apparatus of a liquid dielectric according to another embodiment of the present invention.
8 is an exploded perspective view of a cylindrical dielectric constant precision measuring apparatus of a liquid dielectric according to another embodiment of the present invention.
9 is a longitudinal cross-sectional view showing a cylindrical dielectric constant precision measuring device of a liquid dielectric according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.Prior to this, the terms described below are defined in consideration of the functions in the present invention, which indicate that they should be interpreted as concepts consistent with the technical spirit of the present invention and meanings commonly or commonly recognized in the art.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to the present invention may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.The accompanying drawings show that parts are exaggerated or simplified for explanation of the configuration and operation of the technology and for convenience and clarity of understanding, and it is revealed that each component does not exactly match the actual size and shape.

아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, in this specification, the term and/or is meant to include a combination of a plurality of related described items or any of a plurality of related described items, and when a part includes a certain component, it is a description that is specifically opposite This does not mean that other components are excluded, but other components can be further included.

즉, '포함하다' 또는 '구비하다', '가지다' 등의 용어는 본 명세서에서 설명하고 도시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.That is, terms such as 'include' or 'comprising', 'having' and the like mean that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described and illustrated in the present specification exist, It is to be understood that this does not exclude the possibility of addition or existence of one or more other features or numbers, step operation components, parts, or combinations thereof.

그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.And terms such as upper, lower, upper, lower, upper, lower, upper, lower, front and rear, left and right are used for convenience to distinguish relative positions of each component. For example, the upper side in the drawing may be named or referred to as the upper side and the lower side as the lower side, the longitudinal direction may be named or referred to as the front-back direction, and the width direction may be named or referred to as the left/right direction.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.Also, terms such as first, second, etc. may be used to describe various components. That is, terms such as 1st, 2nd, etc. may be used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be referred to as a second component without departing from the protection scope of the present invention, and the second component may also be referred to as a first component.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치는 크게 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4), 가드전극(G1, G2), 절연체(I) 및 케이스(C)를 포함하고 있다.As shown in Figures 2 to 5, the cylindrical dielectric constant precision measuring device of the liquid dielectric according to an embodiment of the present invention is largely composed of four main electrodes (E1, E2, E3, E4), guard electrodes (G1, G2), It includes an insulator (I) and a case (C).

4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)은 가상의 축선을 중심으로 하여 사방으로 대칭을 이루면서 상호 간에 미소한 갭(gap)을 두고 절연된 상태로 배치되어 있고, 그 횡단면이 각각 호형으로 형성되어 있다.The four main electrodes E1, E2, E3, and E4 are symmetrical in all directions around an imaginary axis and are insulated with a small gap between them, and their cross-sections are arc-shaped, respectively. is formed

그리고 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)은 상하로 일정한 길이(L)를 갖는 형상으로 형성되어 있다.In addition, the four main electrodes E1, E2, E3, and E4 are formed in a shape having a constant length L vertically.

즉, 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)은 원통형 전극 구조를 이루고 있다.That is, the four main electrodes E1, E2, E3, and E4 have a cylindrical electrode structure.

가드전극(G1, G2)은 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4) 상단과 하단에 미소한 갭을 두고 접지 전위를 갖도록 각각 배치되어 있다.The guard electrodes G1 and G2 are respectively arranged to have a ground potential with a minute gap at the top and bottom ends of the four main electrodes E1, E2, E3, and E4.

즉, 가드전극(G1, G2)은 2개로 이루어져 하나는 주전극(E1, E2, E3, E4) 상단과 미소한 갭(gap)을 두고 위치되어 있고, 다른 하나는 주전극(E1, E2, E3, E4) 하단과 미소한 갭(gap)을 두고 위치되어 있다.That is, the guard electrodes G1 and G2 consist of two, one of which is positioned with a small gap between the upper ends of the main electrodes E1, E2, E3, and E4, and the other is the main electrodes E1, E2, E3, E4) It is positioned with a small gap from the lower end.

그리고 가드전극(G1, G2)은 접지 전위 및 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)이 이루는 내경과 동일한 내경, 즉 중공을 갖는 원통형 형상으로 형성되어 있다.In addition, the guard electrodes G1 and G2 have the same inner diameter as the ground potential and the inner diameters of the four main electrodes E1, E2, E3, and E4, that is, have a hollow cylindrical shape.

절연체(I)는 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 간의 갭(gap) 및 4개의 주전극들(E1, E2, E3, E4) 상하단과 가드전극(G1, G2) 간의 갭을 균일하게 유지시키면서 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 및 가드전극(G1, G2)들의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 전기적으로 절연시키도록 원통형 형상으로 형성되어 있다.The insulator I includes a gap between the four main electrodes E1, E2, E3, and E4 and a gap between the upper and lower ends of the four main electrodes E1, E2, E3, E4 and the guard electrodes G1 and G2. It is formed in a cylindrical shape to surround and electrically insulate the outer peripheral surface (outer curved surface) and the bottom surface of the four main electrodes (E1, E2, E3, E4) and the guard electrodes (G1, G2) while maintaining the there is.

즉, 절연체(I)는 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 사이의 갭(gap) 및 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 상하단과 상부 및 하부 가드전극(G1, G2) 사이의 갭을 0.1~0.2mm로 균일하게 유지시키면서 상호 간에 전기적으로 절연하기 위해 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들과 상부 및 하부 가드전극(G1, G2)의 바깥쪽 둘레와 케이스(C)의 안쪽 둘레 사이에 구비되어 있다.That is, the insulator I is formed by a gap between the four main electrodes E1, E2, E3, and E4, and the upper and lower ends of the four main electrodes E1, E2, E3, E4, and upper and lower guard electrodes ( The four main electrodes (E1, E2, E3, E4) and the upper and lower guard electrodes (G1, G2) are electrically insulated from each other while maintaining the gap between G1 and G2 uniformly at 0.1 to 0.2 mm. It is provided between the outer circumference and the inner circumference of the case (C).

케이스(C)는 절연체(I)의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 정전기를 차폐하고 측정 대상 액체를 담을 수 있도록 원통형 형상으로 형성되어 있다.The case (C) is formed in a cylindrical shape to surround the outer peripheral surface (outer curved surface) and the bottom surface of the insulator (I) to shield static electricity and contain the measurement target liquid.

즉, 케이스(C)는 측정 대상 액체를 담을 수 있는 금속 용기로 이루어져 외부로부터 잡음을 차단하는 정전기 차폐 역할을 겸하고 있다.That is, the case C is made of a metal container that can contain the liquid to be measured, and serves as an electrostatic shielding role to block noise from the outside.

여기서 케이스(C)는 금속 재질로 이루어짐으로써 절연체의 영향을 완전히 배제하여 오차가 거의 제로(zero)에 가까운 상태가 될 수 있다.Here, since the case C is made of a metal material, the effect of the insulator is completely excluded, so that the error can be almost zero.

한편, 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들과 2개의 가드전극(G1, G2)들을 완전한 대칭을 이루는 상태로 조립 및 고정하기 위해 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들이 이루는 내경과 동일한 외경을 갖는 원통형 지그를 이용할 수 있다.Meanwhile, in order to assemble and fix the four main electrodes E1, E2, E3, E4 and the two guard electrodes G1, G2 in a perfectly symmetrical state, the four main electrodes E1, E2, E3, E4 ), a cylindrical jig having the same outer diameter as the inner diameter can be used.

즉, 원통형 지그의 외주면(바깥쪽 곡면)에 4개의 주전극들(E1, E2, E3, E4)과 2개의 가드전극(G1, G2)들 정해진 위치에 부착시킨 후, 절연체(I)를 형성하게 되는 에폭시(epoxy)를 두껍게 도포 및 굳혀서 고착시킬 수 있다.That is, after attaching four main electrodes E1, E2, E3, E4 and two guard electrodes G1, G2 to the outer circumferential surface (outer curved surface) of the cylindrical jig at predetermined positions, an insulator I is formed It can be fixed by applying and hardening the epoxy thickly.

이때, 에폭시가 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 사이의 갭(gap) 및 4개의 주전극들(E1, E2, E3, E4) 상하단과 상부 및 하부 가드전극(G1, G2) 사이의 갭을 자연스럽게 메움으로써 완전한 원통형 형상의 절연체(I)를 형성하여 상호 간에 전기적으로 절연시킬 수 있고, 이로 인해 측정 대상 액체를 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들 내에 채워도 그 갭(gap)을 통해 측정 대상 액체가 이동할 수 없게 된다.At this time, the epoxy is applied to the gap between the four main electrodes E1, E2, E3, and E4, and the upper and lower ends of the four main electrodes E1, E2, E3, E4, and the upper and lower guard electrodes G1 and G2. ) by naturally filling the gap between The liquid to be measured cannot move through the gap.

아울러 고착된 에폭시, 즉 절연체(I)의 표면은 케이스(C)의 내경과 동일한 크기로 재가공한 후 케이스(C) 내에 삽입하여 조립 및 고정할 수 있다.In addition, the fixed epoxy, that is, the surface of the insulator (I) can be reprocessed to the same size as the inner diameter of the case (C) and then inserted into the case (C) to be assembled and fixed.

따라서 단순 세척만으로도 다른 측정이 가능하기 때문에 종래와 달리 측정 시마다 전극을 분해, 세척, 재조립할 필요가 없는 사용상의 편의성과 효율성을 향상시킬 수 있다.Therefore, since other measurements are possible only by simple cleaning, it is possible to improve the convenience and efficiency of use, which does not require disassembling, cleaning, and reassembling the electrode every time it is measured, unlike the prior art.

한편, 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4)들은 동축 케이블과 각각 연결하여 외부로 도출함으로써 완벽하게 정전기 차폐가 이루어진 측정장치를 형성할 수 있다.On the other hand, the four main electrodes E1, E2, E3, and E4 are respectively connected to the coaxial cable and lead to the outside, thereby forming a measuring device in which static electricity is completely shielded.

Thompson-Lampard 정리는 진공에서 대칭구조를 지닌 4개의 주전극으로부터

Figure 112020122042311-pat00002
일 때 하기의 수학식 1로 표현된다.The Thompson-Lampard theorem is derived from four main electrodes with a symmetrical structure in vacuum.
Figure 112020122042311-pat00002
When , it is expressed by Equation 1 below.

Figure 112020122042311-pat00003
Figure 112020122042311-pat00003

여기서

Figure 112020122042311-pat00004
는 도 2의 주전극 E1과 E3 사이의 전기용량,
Figure 112020122042311-pat00005
는 주전극 E2와 E4 사이의 전기용량을 의미하고,
Figure 112020122042311-pat00006
은 주전극의 길이에 해당된다.here
Figure 112020122042311-pat00004
is the capacitance between the main electrodes E1 and E3 of FIG. 2,
Figure 112020122042311-pat00005
is the capacitance between the main electrodes E2 and E4,
Figure 112020122042311-pat00006
is the length of the main electrode.

이를 도 3의 케이스(C) 내에 측정 대상 액체를 채운 후 크로스 커패시턴스(

Figure 112020122042311-pat00007
)는 하기의 수학식 2로 표현되고, 측정 대상 액체를 제거한 상태, 즉 공기 중의 크로스 커패시턴스(
Figure 112020122042311-pat00008
)는 하기의 수학식 3으로 표현된다.After filling the measurement target liquid in the case (C) of FIG. 3, the cross capacitance (
Figure 112020122042311-pat00007
) is expressed by the following Equation 2, and the state in which the measurement target liquid is removed, that is, the cross capacitance in air (
Figure 112020122042311-pat00008
) is expressed by Equation 3 below.

Figure 112020122042311-pat00009
Figure 112020122042311-pat00009

Figure 112020122042311-pat00010
Figure 112020122042311-pat00010

이로부터 하기의 수학식 4가 유도되고 측정 대상 액체의 유전상수(

Figure 112020122042311-pat00011
)가 산출된다.From this, the following Equation 4 is derived, and the dielectric constant of the liquid to be measured (
Figure 112020122042311-pat00011
) is calculated.

Figure 112020122042311-pat00012
Figure 112020122042311-pat00012

여기서

Figure 112020122042311-pat00013
는 물리상수로서 0.008854187pF/mm이며 진공의 유전율,
Figure 112020122042311-pat00014
는 공기의 유전상수 1.0006, Cr13은 액체 유전체 시료를 채운 상태에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스, Cr24는 액체 유전체 시료를 채운 상태에서 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스, Ca13은 액체 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스, Ca24는 액체 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 나타낸다.here
Figure 112020122042311-pat00013
is a physical constant of 0.008854187 pF/mm and the permittivity of vacuum,
Figure 112020122042311-pat00014
is the dielectric constant of air 1.0006, C r13 is the cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 in the state of filling the liquid dielectric sample, C r24 is the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 in the state of filling the liquid dielectric sample, and C a13 is the liquid dielectric The cross capacitance between the main electrodes E1 and E3, Ca24 , between the main electrodes E1 and E3 in the air at the same measuring distance after removing the sample, represents the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 in the air at the same measuring distance after removing the liquid dielectric sample.

따라서 케이스(C) 내에 액체 유전체 시료를 넣은 상태에서 4개의 주전극 중 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 후, 액체 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 값을 수학식 4에 대입하여 유전상수(

Figure 112020122042311-pat00015
)를 산출한다.Therefore, while the liquid dielectric sample is placed in the case (C), the cross capacitance between E1 and E3 among the four main electrodes is measured, and after measuring the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4, the liquid dielectric sample is removed. and measure the cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 in the air at the same measurement distance, and substitute the measured value of the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 into Equation 4 to obtain the dielectric constant (
Figure 112020122042311-pat00015
) is calculated.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 대해 유전상수 CRM을 이용한 검증을 실시한 결과는 하기의 표 1과 같이 나타났다.On the other hand, the results of verification using the dielectric constant CRM for the precision measuring device of the dielectric constant of the liquid dielectric according to the embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.

즉, 컴퓨터 프로그램에 의한 3차원 전기장 시뮬레이션을 통해서 유전상수의 값을 이미 알고 있는 액체 유전체 중에서 표준기준물(CRM) 시료 4종을 직접 선택하여 주어진 전극 사이에 삽입한 후, 전기용량을 산출한 결과

Figure 112020122042311-pat00016
와 공기 중에서 산출된 결과
Figure 112020122042311-pat00017
를 수학식 4에 대입하여 구한 유전상수 값을 CRM 자체의 값과 비교하여 오차를 구하였다. 유전상수 4.0~81.0의 범위에서 측정오차가 0.01~0.03% 수준으로 기존에 비해 매우 우수한 성능을 지니고 있음을 확인하였다.That is, through three-dimensional electric field simulation by a computer program, four types of standard reference material (CRM) samples were directly selected from among liquid dielectrics for which the value of the dielectric constant was already known, inserted between the given electrodes, and the capacitance was calculated.
Figure 112020122042311-pat00016
and the result calculated in air
Figure 112020122042311-pat00017
The value of the dielectric constant obtained by substituting in Equation 4 was compared with the value of CRM itself to obtain an error. It was confirmed that the measurement error was 0.01 to 0.03% in the range of the dielectric constant of 4.0 to 81.0, and it was confirmed that it had a very good performance compared to the previous one.

여기서 CRM 역할을 하는 시료(괄호 내 숫자는 유전상수)는 증류수(81.0), 실리콘(4.0), BK(4.8), RG(10.2) 등 4종을 사용하였다.Here, 4 types of samples serving as CRM (numbers in parentheses are dielectric constants) were used: distilled water (81.0), silicon (4.0), BK (4.8), and RG (10.2).

따라서 종래의 장치는 유전상수 측정오차가 1~10% 수준으로 나타나고 있음을 고려할 때 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치는 탁월한 성능을 지니고 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the precision measuring device of the dielectric constant of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention has excellent performance, considering that the conventional device has a dielectric constant measurement error of 1 to 10%.

시료 sample

Figure 112020122042311-pat00018
(CRM)
Figure 112020122042311-pat00018
(CRM) C(E1/E3)C(E1/E3) C(E2/E4)C (E2/E4) C(sum)C(sum)
Figure 112020122042311-pat00019
(meas)
Figure 112020122042311-pat00019
(meas)
U(%)U (%) AirAir 1.00061.0006 0.138530.13853 0.138490.13849 0.277020.27702 -- -- 증류수Distilled water 8181 11.21511.215 11.21711.217 22.432022.4320 81.024781.0247 0.0304%0.0304% 실리콘silicon 4.04.0 0.553550.55355 0.554020.55402 1.107571.10757 4.0005574.000557 0.0139%0.0139% BKBK 4.84.8 0.664450.66445 0.664580.66458 1.329031.32903 4.8004744.800474 0.00988%0.00988% RGRG 10.210.2 1.41231.4123 1.41241.4124 2.82472.8247 10.2028510.20285 0.0279%0.0279%

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치의 측정오차 수준을 검증하는 과정에서 유전상수 값을 알고 있는 CRM을 여러 개 보유하지 못한 경우에는 1~2가지 CRM을 이용해 다음과 같은 절차에 따라 교정하여 사용할 수 있다.On the other hand, in the process of verifying the measurement error level of the device for measuring the dielectric constant of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention, if several CRMs with known dielectric constant values are not possessed, one or two CRMs are used as follows. It can be used after correction according to the same procedure.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 이미 유전상수(εn)를 알고 있는 액체를 넣었을 때 측정된 전기용량(Cn)과 공기 중에서 측정된 전기용량(Ca)을 하기의 수학식 5에 대입하여 교정값(Cc)을 구한다.That is, when a liquid for which the dielectric constant (ε n ) is already known is put into the accurate dielectric constant measuring apparatus of a liquid dielectric according to an embodiment of the present invention, the measured capacitance (C n ) and the measured capacitance in air (C a ) is substituted into Equation 5 below to obtain a calibration value (C c ).

Figure 112020122042311-pat00020
Figure 112020122042311-pat00020

이로부터 전극 구조의 보정상수(Cg)는 하기의 수학식 6에 대입하여 구할 수 있다.From this, the correction constant (C g ) of the electrode structure can be obtained by substituting in Equation 6 below.

Figure 112020122042311-pat00021
Figure 112020122042311-pat00021

이후, 측정 대상 액체를 넣었을 때의 전기용량(Cx) 측정값으로부터 액체의 유전상수(εx)는 하기의 수학식 7에 의해서 보정된 상태로 산출된다.Then, the dielectric constant (ε x ) of the liquid from the capacitance (C x ) measured value when the measurement target liquid is put is calculated in a corrected state by Equation 7 below.

Figure 112020122042311-pat00022
Figure 112020122042311-pat00022

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치에서 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4) 및 2개의 가드전극(G1, G2) 길이와 폭은 동일하게 유지한 채로 그 두께 변화에 따른 유전상수 측정오차를 액체 표준기준물(CRM)을 이용하여 3차원 전기장 시뮬레이션을 통해서 확인한 결과는 도 6과 같이 나타났다.On the other hand, the length and width of the four main electrodes (E1, E2, E3, E4) and the two guard electrodes (G1, G2) are kept the same in the cylindrical dielectric constant measurement device of the liquid dielectric according to the embodiment of the present invention. The result of confirming the dielectric constant measurement error according to the thickness change through 3D electric field simulation using a liquid standard reference material (CRM) is shown in FIG. 6 .

이로부터 측정오차가 가장 작은 조건의 주전극 및 가드전극의 두께를 결정 및 선정할 수 있다.From this, it is possible to determine and select the thickness of the main electrode and the guard electrode under the condition with the smallest measurement error.

한편, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치는 2개의 환봉형 Hi 전극(Hi), Hi 전극과 동일한 지름(φa)을 가지며 대칭적으로 배치된 2개의 Lo 전극(Lo), Hi 전극(Hi)의 상단 및 하단, Lo 전극(Lo)의 상단 및 하단과 각각 절연체(I)를 사이에 두고 연결 설치된 환봉형 가드(G), Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo) 사이에 배치되고, Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo)의 지름(φa)보다 작은 지름(φb) 및 접지 전위를 갖는 2개의 환봉형 가드 전극(GE), 가드(G)와 가드 전극(GE)들의 상단 및 하단을 접지시키는 상하 한 쌍의 지지블록(S) 및 Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo), 가드(G)와 가드 전극(GE)들을 둘러싸서 외부로부터의 잡음을 차단 및 정전기를 차폐하고 측정 대상 액체를 담도록 형성된 케이스(C)를 포함하고 있다.On the other hand, as shown in FIGS. 7 to 9, the cylindrical dielectric constant measuring device of a liquid dielectric according to another embodiment of the present invention has two round-bar Hi electrodes (Hi) and the same diameter (φa) as the Hi electrodes, Two Lo electrodes (Lo) symmetrically arranged, the upper and lower ends of the Hi electrodes (Hi), the upper and lower ends of the Lo electrodes (Lo), and a round bar type guard (G) connected with an insulator (I) between them, respectively , two round-bar-shaped guard electrodes disposed between the Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo) and having a diameter (φb) smaller than the diameter (φa) of the Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo) and a ground potential (GE), a pair of upper and lower support blocks (S) for grounding the upper and lower ends of the guard (G) and the guard electrodes (GE), and the Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo), the guard (G) and the guard electrode It includes a case (C) formed to surround the GEs to block external noise and static electricity, and to contain the liquid to be measured.

Hi 전극(Hi) 및 Lo 전극(Lo)은 금속봉으로 이루어지고 절연체(I)를 이용하여 가드(G)과 각각 결합될 수 있으나, 이외에도 석영 재질의 환봉 표면에 금도금을 한 후 그 길이 방향의 상단 및 하단 일부분에 선 가공을 통해 금도금을 제거함으로써 전기적으로 절연시킬 수도 있다.The Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo) are made of a metal rod and can be respectively combined with the guard (G) using an insulator (I). And it may be electrically insulated by removing the gold plating through wire processing on the lower part.

가드 전극(GE)들은 크로스 커패시턴스 측정 시 항상 접지 전위를 갖도록 지지블록(S)에 고정되어 있다.The guard electrodes GE are fixed to the support block S so that they always have a ground potential when measuring cross capacitance.

또한, Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo)의 상단 및 하단은 지지블록(S)에 접지되도록 고정되어 있다.In addition, upper and lower ends of the Hi electrode Hi and the Lo electrode Lo are fixed to the support block S to be grounded.

여기서 Hi 전극(Hi) 및 Lo 전극(Lo)의 지름이 가드 전극(GE)의 지름보다 크면서 개수를 2배로 설정한 것은 측정 대상 액체의 유전상수를 훨씬 더 정확하게 측정하기 위해 전기용량 측정값을 증가시키기 위함이다.Here, the diameter of the Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo) is larger than the diameter of the guard electrode (GE) and the number is set to double the capacitance measurement value in order to measure the dielectric constant of the liquid to be measured much more accurately. in order to increase

그리고 Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo) 및 가드 전극(GE)들은 케이스(C)의 축선을 중심으로 하여 60도 간격으로 배열됨으로써 측정오차를 0.001~0.005% 정도로 최소화할 수 있다.In addition, the Hi electrode Hi, the Lo electrode Lo, and the guard electrodes GE are arranged at intervals of 60 degrees with respect to the axis of the case C, so that the measurement error can be minimized by about 0.001 to 0.005%.

케이스(C)의 내부에 Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo) 및 가드 전극(GE)들을 배치할 때마다 항상 동일한 전기용량이 측정되도록 하기 위해 금속재 본체와 뚜껑으로 구성하고, 이를 3점 지지에 의해 결합할 수 있다.In order to ensure that the same capacitance is always measured whenever the Hi electrode (Hi), the Lo electrode (Lo), and the guard electrode (GE) are placed inside the case (C), it consists of a metal body and a lid, and supports three points. can be combined by

이러한 Hi 전극(Hi) 및 Lo 전극(Lo), 가드 전극(GE)들은 단순 세척이 가능하므로 측정 시마다 일일이 분해한 후 세척하고 재조립하는 과정이 불필요하다.Since the Hi electrode (Hi), Lo electrode (Lo), and the guard electrode (GE) can be cleaned simply, it is unnecessary to disassemble, clean, and reassemble each time each measurement.

한편, Hi 전극(Hi)과 Lo 전극(Lo) 사이의 크로스 커패시턴스 측정값이 한번씩 측정되기 때문에 케이스(C) 내에 액체 유전 시료를 넣은 상태에서 측정된 전기용량

Figure 112020122042311-pat00023
과 액체 유전체 시료를 제거하고 측정된 전기용량
Figure 112020122042311-pat00024
를 하기의 수학식 8에 대입하면 유전상수
Figure 112020122042311-pat00025
이 산출된다.On the other hand, since the measured value of the cross capacitance between the Hi electrode (Hi) and the Lo electrode (Lo) is measured once, the capacitance measured with the liquid dielectric sample placed in the case (C)
Figure 112020122042311-pat00023
and the liquid dielectric sample were removed and the measured capacitance
Figure 112020122042311-pat00024
By substituting in Equation 8 below, the dielectric constant
Figure 112020122042311-pat00025
This is calculated

Figure 112020122042311-pat00026
Figure 112020122042311-pat00026

본 발명의 다른 실시 예에 따른 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치를 이용한 유전상수 측정결과가 얼마나 정확한가를 상술한 실시 예와 같은 방법으로 검증하였다.How accurate the dielectric constant measurement result using the cylindrical dielectric constant precision measurement device of the liquid dielectric according to another embodiment of the present invention is verified in the same manner as in the above-described embodiment.

즉, 컴퓨터 프로그램에 의한 3차원 정전기 시뮬레이션을 통하여 유전상수의 값을 이미 알고 있는 액체 유전체 표준기준물(CRM) 시료 4종을 직접 주어진 전극 사이에 삽입한 후의 전기용량 측정값

Figure 112020122042311-pat00027
와 공기중의 전기용량 측정값
Figure 112020122042311-pat00028
를 수학식 8에 대입하여 구해진 유전상수 값과 CRM 자체의 값을 비교하여 오차를 구하였다. 그 결과는 하기의 표 2에 나타내었다. 측정오차는 0.001~0.005% 수준으로 기존의 방법과 비교할 때 탁월한 성능을 지니고 있음이 확인되었다.That is, the capacitance measurement value after directly inserting 4 types of liquid dielectric standard reference material (CRM) samples whose dielectric constant is known through three-dimensional static electricity simulation by a computer program between the given electrodes.
Figure 112020122042311-pat00027
and capacitance measurements in air
Figure 112020122042311-pat00028
The error was obtained by comparing the value of the dielectric constant obtained by substituting in Equation 8 and the value of CRM itself. The results are shown in Table 2 below. The measurement error is 0.001~0.005%, and it is confirmed that it has excellent performance compared to the existing method.

시료 sample

Figure 112020122042311-pat00029
Figure 112020122042311-pat00029
Figure 112020122042311-pat00030
pF
Figure 112020122042311-pat00030
pF
Figure 112020122042311-pat00031
Figure 112020122042311-pat00031
U (%)U (%) AirAir 1.00061.0006 0.444970.44497 -- -- 증류수 Distilled water 81.081.0 36.02236.022 81.0023481.00234 0.00290.0029 실리콘silicon 4.04.0 1.77891.7789 4.0001964.000196 0.00490.0049 BKBK 4.84.8 2.13462.1346 4.8000554.800055 0.00120.0012 RGRG 10.210.2 4.53614.5361 10.2002810.20028 0.00280.0028

한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.On the other hand, the present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, and can be variously modified and applied in various ways not illustrated within the scope without departing from the technical spirit of the present invention, as well as each It is clear to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that it can be widely applied by changing the component substitution and other equivalent embodiments.

그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.Therefore, the contents related to the modification and application of the technical features of the present invention should be interpreted as being included within the technical spirit and scope of the present invention.

E1, E2, E3, E4: 주전극
G1, G2: 가드전극
I: 절연체
C: 케이스
E1, E2, E3, E4: main electrode
G1, G2: guard electrode
I: insulator
C: case

Claims (3)

사방으로 대칭을 이루면서 상호 미소한 갭(gap)을 두고 배치되며, 횡단면이 호형으로 형성된 4개의 주전극(E1, E2, E3, E4); 상기 4개의 주전극 상단과 하단에 미소한 갭을 두고 접지 전위를 갖도록 각각 배치되며, 상기 4개의 주전극이 이루는 내경과 동일한 내경을 갖는 원통형 가드전극(G1, G2); 상기 4개의 주전극들 간의 갭 및 상기 4개의 주전극들과 상기 가드전극 간의 갭을 균일하게 유지시키면서 상기 4개의 주전극들 및 상기 가드전극들의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 전기적으로 절연시키는 원통형 절연체(I); 및 상기 절연체의 외주면(바깥쪽 곡면)과 바닥면을 둘러싸서 정전기를 차폐하고 측정 대상 액체를 담을 수 있도록 형성된 원통형 케이스(C)를 포함하며;
상기 케이스(C) 내에 액체 유전체 시료를 넣은 상태에서 4개의 주전극 중 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 후, 액체 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스를 측정하고, 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 값을 수학식 4에 대입하여 유전상수(
Figure 112022026466709-pat00032
)를 산출하는 것을 특징으로 하는 액체 유전체의 원통형 유전상수 정밀 측정장치.
[수학식 4]
Figure 112022026466709-pat00033

여기서
Figure 112022026466709-pat00034
는 공기의 유전상수(1.0006),
Figure 112022026466709-pat00035
은 액체 유전체 시료를 채운 상태에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스,
Figure 112022026466709-pat00036
는 액체 유전체 시료를 채운 상태에서 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스,
Figure 112022026466709-pat00037
은 액체 유전체 시료를 제거하고 공기 중에서 주전극 E1과 E3 간의 크로스 커패시턴스,
Figure 112022026466709-pat00038
는 액체 유전체 시료를 제거하고 공기 중에서 주전극 E2과 E4 간의 크로스 커패시턴스를 나타낸다.
four main electrodes (E1, E2, E3, E4), which are symmetrically arranged in all directions with a small gap, and have arc-shaped cross-sections; Cylindrical guard electrodes (G1, G2) each having a ground potential with a small gap at the upper end and lower end of the four main electrodes, and having an inner diameter equal to the inner diameter of the four main electrodes; While uniformly maintaining the gap between the four main electrodes and the gap between the four main electrodes and the guard electrode, the electric Cylindrical insulator (I) to insulate with; and a cylindrical case (C) formed to surround an outer peripheral surface (outer curved surface) and a bottom surface of the insulator to shield static electricity and contain a measurement target liquid;
After measuring the cross capacitance between E1 and E3 among the four main electrodes while putting the liquid dielectric sample in the case (C), and measuring the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4, the liquid dielectric sample is removed and measure the cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 in the air at the same measurement distance, and substitute the measured value of the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 into Equation 4 to obtain the dielectric constant (
Figure 112022026466709-pat00032
), a cylindrical dielectric constant precision measurement device of a liquid dielectric, characterized in that it is calculated.
[Equation 4]
Figure 112022026466709-pat00033

here
Figure 112022026466709-pat00034
is the dielectric constant of air (1.0006),
Figure 112022026466709-pat00035
is the cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 when filled with a liquid dielectric sample,
Figure 112022026466709-pat00036
is the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 in the state of filling the liquid dielectric sample,
Figure 112022026466709-pat00037
remove the liquid dielectric sample and cross capacitance between the main electrodes E1 and E3 in air,
Figure 112022026466709-pat00038
shows the cross capacitance between the main electrodes E2 and E4 in air with the liquid dielectric sample removed.
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