RU2234102C2

RU2234102C2 - Method for determination of dielectric parameters of water and its solutions in audio-frequency region with the aid of l-cell

Info

Publication number: RU2234102C2
Application number: RU2002122145/09A
Authority: RU
Inventors: Л.П. Семихина (RU); Л.П. Семихина
Original assignee: Тюменский государственный университет
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-08-10
Also published as: RU2002122145A

Abstract

FIELD: physical methods for inspection of the state of water and its solutions in various objects, applicable in solution of fundamental and applied problems of water systems.

SUBSTANCE: the method is proposed for determination of the dielectric parameters of water and its solutions with conductivity

= 20m S/cm within frequency band 10 kHz to 100 MHz with the aid of a set of inductance solenoids of an identical size (L-cells) connected to the oscillatory circuit of a Q-meter. Due to the fact that the object under inspection is introduced in the L-sells in a dielectric vessel so that the gap between the object and the winding of the measuring cell makes up 4 to 6 mm, the inductive principle of operation of the L-cells is realized owing to the rise of displacement currents of the object under inspection depending on the dielectric parameters of the object. The object dielectric parameters are in a weak rotational electric field of the L-cell, the value of tangent of dielectric field of the L-cell, the value of tangent of dielectric loss angle

of the water object at the given frequency is calculated according to a definite relation for

, and the dielectric permittivity is characterized by value

and calculated according to a definite relation for

. The found values of

and

depend on the quality factor and inductance of the measuring L-cell, if length l and radius r of its winding satisfy condition

,

20 mm, and the maximum strength of the rotational electric field inside it equals

= 5 to 300

. The method for measurement of the dielectric parameters of water objects is a method of non-destructive inspection procedure of their state, since the strength of electric field

inside the L-cell is less than the strength of the field inside the measuring capacitors in the well-known capacitance method of measurement of the same parameters by several orders. As a result, in essence new information on the properties of water systems are revealed, for example, in the frequency band 10 kHz to 100 Mhz, and a low-frequency dispersion of dielectric permeability and low-frequency maximum

connected with it is fixed.

EFFECT: finding, in addition to

, of liquid dielectric permeability

is provided, the values of

and

do not depend on the parameters of the measuring cell.

6 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к физическим методам исследования состояния воды и ее растворов в различных объектах и может использоваться при решении фундаментальных и прикладных проблем водных систем. Учитывая, что воду содержат все биообъекты, предлагаемый способ представляет также интерес для биологии и биофизики.The invention relates to physical methods for studying the state of water and its solutions in various objects and can be used to solve fundamental and applied problems of water systems. Given that water contains all biological objects, the proposed method is also of interest to biology and biophysics.

Известен емкостной или С-способ определения диэлектрических параметров веществ, в котором исследуемый объект помещается в измерительный конденсатор (С-ячейку) [1]. Для исследования водных растворов на частотах менее 1 МГц этот способ неприменим из-за увеличения на таких частотах потерь обусловленных проводимостью.Known capacitive or C-method for determining the dielectric parameters of substances, in which the investigated object is placed in a measuring capacitor (C-cell) [1]. For the study of aqueous solutions at frequencies less than 1 MHz, this method is not applicable due to the increase at such frequencies of losses due to conductivity.

Известен также способ бесконтактной кондуктометрии водных растворов, в котором измерительной ячейкой является соленоидальная катушка индуктивности (L-ячейка) [2-6]. Несмотря на то, что данный способ используется уже более 50 лет, даже принцип работы L-ячеек остался спорным. Отмечается плохое согласие эксперимента с теоретическими моделями, неоднозначность получаемых таким способом значений проводимостей жидкостей. Большинство авторов предполагают, что изменения индуктивного и активного сопротивления L-ячейки после введения жидкости обусловлены возникновением в ней вихревых токов.There is also known a method of contactless conductometry of aqueous solutions, in which the measuring cell is a solenoidal inductor (L-cell) [2-6]. Despite the fact that this method has been used for over 50 years, even the principle of operation of L-cells has remained controversial. Poor agreement of the experiment with theoretical models, the ambiguity of the values of the conductivities of liquids obtained in this way are noted. Most authors suggest that changes in the inductive and active resistance of the L-cell after the introduction of the liquid are due to the occurrence of eddy currents in it.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ определения тангенса угла диэлектрических потерь tgδ_м водных растворов солей в диапазоне частот 100 кГц - 10 МГц, предложенный в [7], в котором исследуемый водный раствор помещается в соленоидальные катушки индуктивности (L-ячейки), подключенные к колебательному контуру куметра, а величина tgδ_м рассчитывается из соотношенияThe closest analogue of the proposed method is a method for determining the dielectric loss tangent tanδ _{m of} aqueous solutions of salts in the frequency range 100 kHz - 10 MHz, proposed in [7], in which the studied aqueous solution is placed in solenoidal inductors (L-cells) connected to the oscillatory contour of the meter, and the value of tanδ _{m is} calculated from the relation

где Q₁; C₁; Q₂; C₂- добротность и емкость колебательного контура куметра при резонансе без жидкости и с жидкостью внутри измерительной катушки индуктивности. Найденные данным способом потери в [7] были условно названы “магнитными” в отличие от обычных диэлектрических потерь tgδ, определяемых С-способом. Исследуемая жидкость в [7] с помощью насоса последовательно прокачивалась через измерительные ячейки, каркас которых сечением S=1,74 см² изготавливался из тонкого стекла пирекс, поэтому зазор между обмоткой катушки и жидкостью равнялся толщине тонкой стеклянной трубки. Как отмечается в [7, стр.82], значения tgδ_м характеризуют некие структурные релаксационные процессы в водных растворах и не зависят от добротности и индуктивности измерительной катушки, а также от сечения и формы пробы исследуемой жидкости лишь начиная с некоторой частоты, зависящей от проводимости и объема сердечника. Влияние сечения и проводимости пробы на величину tgδ_м объясняется возникновением внутри жидкости вихревых токов, для снижения которых рекомендовано использовать L-ячейки с малым сечением (менее 7 мм). Однако даже в таких ячейках значения tgδ_м водных растворов в [7] существенно отличались от значений tgδ. Недостаточная теоретическая и экспериментальная разработка предложенного в [7] способа измерения диэлектрических потерь водных растворов, а также зависимость tgδ_м от параметров L-ячейки резко снижают его практическую и научную значимость.where Q ₁ ; C ₁ ; Q ₂ ; C ₂ - quality factor and capacitance of the oscillatory circuit of the meter in resonance without liquid and with liquid inside the measuring inductance coil. The losses found by this method in [7] were conditionally called “magnetic” in contrast to the usual dielectric losses tanδ determined by the C method. The studied fluid in [7] was pumped sequentially through the measuring cells, the frame of which with the cross section S = 1.74 cm ^{2 was} made of pyrex thin glass, so the gap between the coil winding and the liquid was equal to the thickness of a thin glass tube. As noted in [7, p. 82], the values of tanδ _m characterize certain structural relaxation processes in aqueous solutions and do not depend on the Q factor and inductance of the measuring coil, as well as on the cross section and sample shape of the studied liquid only starting from a certain frequency depending on the conductivity and core volume. The effect of the cross section and conductivity of the sample on the value of tanδ _m is explained by the appearance of eddy currents inside the liquid, to reduce which it is recommended to use L-cells with a small cross section (less than 7 mm). However, even in such cells, the values of tanδ _{m of} aqueous solutions in [7] were significantly different from the values of tanδ. The insufficient theoretical and experimental development of the method proposed in [7] for measuring the dielectric loss of aqueous solutions, as well as the dependence of tanδ _m on the parameters of the L-cell, sharply reduce its practical and scientific significance.

Предлагаемый способ измерения диэлектрических параметров водных объектов, как и в прототипе, основан на измерении изменений параметров L-ячейки после введения в нее водных объектов методом куметра. Однако в отличие от прототипа он позволяет кроме tgδ находить и диэлектрическую проницаемость жидкости ε, причем значения tgδ и ε не зависят от параметров измерительной ячейки.The proposed method for measuring the dielectric parameters of water bodies, as in the prototype, is based on measuring changes in the parameters of the L-cell after the introduction of water objects into it by the method of the meter. However, unlike the prototype, it allows in addition to tgδ to find the dielectric constant of the fluid ε, and the values of tgδ and ε are independent of the parameters of the measuring cell.

Прежде всего, в предлагаемом способе по сравнению с прототипом изменяется способ введения исследуемой жидкости в измерительную ячейку: жидкость не прокачивается через них, а вводится в цилиндрическом диэлектрическом сосуде (например, стеклянной или тефлоновой пробирке). Это не только упрощает методику эксперимента, но и за счет увеличения расстояния между обмоткой катушки и исследуемой жидкостью меняет принцип изменения параметров L-ячейки.First of all, in the proposed method, as compared with the prototype, the method of introducing the test fluid into the measuring cell is changed: the fluid is not pumped through them, but is introduced in a cylindrical dielectric vessel (for example, a glass or Teflon test tube). This not only simplifies the experimental procedure, but also by changing the distance between the coil winding and the test fluid, changes the principle of changing the parameters of the L-cell.

Суть предлагаемого способа иллюстрирует фиг.1, согласно которому после внесения водного раствора в диэлектрическом сосуде внутрь катушки индуктивности, подключенной к колебательному контуру куметра, изменяется величина емкости С переменного калиброванного конденсатора, при которой наблюдается резонанс в колебательном контуре куметра, а также существенно (в несколько раз) уменьшается добротность Q при резонансе. (Эффект от внесения пустого сухого сосуда пренебрежимо мал).The essence of the proposed method is illustrated in Fig. 1, according to which, after introducing an aqueous solution in a dielectric vessel inside an inductor connected to the oscillatory circuit of the meter, the value of the capacitance C of a variable calibrated capacitor changes, at which resonance is observed in the oscillatory circuit of the meter, and also significantly (several times) decreases the quality factor Q at resonance. (The effect of introducing an empty dry vessel is negligible).

Поскольку при резонансе емкость С и индуктивность L колебательного контура с активным сопротивлением R и добротностью Q=ωL/R удовлетворяют соотношениюSince at resonance the capacitance C and inductance L of the oscillating circuit with active resistance R and Q factor Q = ωL / R satisfy the relation

то при добротности колебательного контура Q>20 с точностью не ниже 0,1% влиянием величины активной составляющей контура и ее изменением при внесении жидкости на резонансную емкость С можно пренебречь.then when the quality factor of the oscillatory circuit Q> 20 with an accuracy of not less than 0.1%, the influence of the magnitude of the active component of the circuit and its change when introducing liquid into the resonance capacitance C can be neglected.

Если учесть наличие у катушки индуктивности собственной емкости С₀ и пренебречь вкладом активного сопротивления контура, то условие резонанса в контуре будет иметь видIf we take into account the presence of a self-capacitance C ₀ in the inductance coil and neglect the contribution of the active resistance of the circuit, the resonance condition in the circuit will have the form

Из соотношения (3) следует, что емкость С при резонансе после внесения жидкости в L-ячейку может измениться лишь по двум причинам:From relation (3) it follows that the capacitance C at resonance after introducing liquid into the L-cell can change only for two reasons:

во-первых, из-за изменения собственной емкости ячейки С₀ обмотка катушки в этом случае выполняет функцию внешних электродов подобно электродам обычной С-ячейки (емкостной принцип работы ячейки);firstly, due to a change in the self-capacitance of the cell C _{0, the} coil winding in this case performs the function of external electrodes similar to the electrodes of a conventional C-cell (capacitive principle of the cell);

во-вторых, из-за изменения индуктивности катушки (индуктивный принцип работы ячейки).secondly, due to a change in the inductance of the coil (inductive principle of the cell).

Оценить вклад емкостного и индуктивного принципа изменения параметров L-ячеек можно путем сопоставления их с модельными C_L-ячейками с тем же числом витков, нанесенных на идентичный корпус, например цилиндрическую тонкостенную стеклянную мензурку. Электродами емкостной С_L-ячейки являются 2 незамкнутые между собой провода, намотанные параллельно друг другу по спирали. Эквивалентом методики ввода жидкости в измерительную ячейку в прототипе является заливка водного раствора непосредственно внутрь ее корпуса. Поскольку при этом параметры C_L- и L-ячейки меняются практически идентично, то в прототипе преобладает емкостной принцип работы L-ячеек. Так как рассчитать изменение распределенной собственной емкости катушки с многослойной обмоткой при внесении в нее жидкости практически невозможно, то L-ячейки, работающие по емкостному принципу, не представляют интереса. Между тем, все предыдущие попытки использования L-ячеек для измерения диэлектрических параметров основывались именно на емкостном принципе ее работы [2-6].The contribution of the capacitive and inductive principle of changing the parameters of L-cells can be estimated by comparing them with model C _L- cells with the same number of turns applied to an identical case, for example, a cylindrical thin-walled glass beaker. Capacitor electrodes With _L- cells are 2 open wires interconnected, wound in parallel to each other in a spiral. The equivalent of the method of introducing liquid into the measuring cell in the prototype is to fill the aqueous solution directly into its body. Since the parameters C _L - and L-cells change almost identically, in the prototype the capacitive principle of operation of L-cells prevails. Since it is practically impossible to calculate the change in the distributed intrinsic capacitance of a coil with a multilayer winding when liquid is introduced into it, L-cells operating on the capacitive principle are not of interest. Meanwhile, all previous attempts to use L-cells for measuring dielectric parameters were based precisely on the capacitive principle of its operation [2-6].

При удалении жидкости от обмотки L-ячейки емкостной механизм изменения ее параметров резко снижается. В предлагаемом способе жидкость вводится в L-ячейку так, что между обмоткой катушки и жидкостью находится примерно 2-2,5 мм материала корпуса катушки, затем 1-1,5 мм воздушного зазора и 1,5-2 мм стенок пробирки, итого 4-6мм. При таком зазоре между обмоткой и водным раствором чувствительность С_L-ячейки к вводу жидкости оказывается существенно ниже, чем у L-ячейки - фиг.1. При указанном выше расстоянии между обмоткой ячейки и жидкостью емкость С_L-ячейки из-за пробирки с водным раствором возрастает всего на 5% от собственной емкости ячейки. Поэтому для L-ячеек с собственной емкостью С₀=(2-6)пФ емкостной эффект примерно на порядок меньше наблюдаемого в эксперименте сдвига резонансной емкости и им можно пренебречь.As the liquid moves away from the winding of the L-cell, the capacitive mechanism for changing its parameters sharply decreases. In the proposed method, the liquid is introduced into the L-cell so that between the coil winding and the liquid there are approximately 2-2.5 mm of the material of the coil body, then 1-1.5 mm of the air gap and 1.5-2 mm of the tube walls, total 4 -6mm. With this gap between the winding and the aqueous solution, the sensitivity of the C _L cell to the fluid inlet is significantly lower than that of the L cell — FIG. 1. With the above distance between the cell winding and the liquid, the capacitance of the _L cell due to the test tube with the aqueous solution increases by only 5% of the cell’s own capacity. Therefore, for L-cells with intrinsic capacitance C ₀ = (2-6) pF, the capacitive effect is approximately an order of magnitude smaller than the experimentally observed shift in the resonance capacitance and can be neglected.

Итак, в отличие от прототипа в предлагаемом способе реализуется индуктивный принцип работы L-ячеек. Следовательно, после введения жидкости происходит изменение активного ΔR и индуктивного ωΔL сопротивления измерительной L-ячейки, отношение которых определяет величину тангенса угла диэлектрических потерь жидкости tgδ=ΔR/ωΔL.So, unlike the prototype, the proposed method implements the inductive principle of the L-cells. Therefore, after the introduction of the liquid, the active ΔR and inductive ωΔL resistance of the measuring L-cell change, the ratio of which determines the tangent of the dielectric loss angle of the liquid tgδ = ΔR / ωΔL.

Значения ΔR и ωΔL при индуктивном принципе работы L-ячейки с собственной емкостью С₀ можно найти из соотношенийThe values of ΔR and ωΔL for the inductive principle of operation of the L-cell with its own capacitance C ₀ can be found from the relations

где R₀ и ωL₀ - активное и индуктивное сопротивление контура до введения жидкости, C₁, С₂; Q₁, Q₂ - значения емкости калиброванного конденсатора и добротности контура при резонансе до и после введения жидкости в L-ячейку. Добротности контура Q₁, Q₂ соотношениями (6, 7) связаны со значениями Qƒ₁, Qƒ₂ так называемыми множителями вольтажа колебательного контура, отсчитываемыми при резонансе по шкале вольтметра, измеряющего напряжение на калиброванном конденсаторе куметра. При С₀=0, Q_1,2=Qƒ_1,2.where R ₀ and ωL ₀ is the active and inductive resistance of the circuit before the introduction of the liquid, C ₁ , C ₂ ; Q ₁ , Q ₂ - the values of the capacitance of a calibrated capacitor and the quality factor of the circuit at resonance before and after the introduction of fluid into the L-cell. The Q factors of the circuit Q ₁ , Q _{2 by} relations (6, 7) are associated with the values Qƒ ₁ , Qƒ _{2 of the} so-called voltage multipliers of the oscillatory circuit, measured at resonance on a scale of a voltmeter that measures the voltage across the calibrated capacitor of the meter. When C ₀ = 0, Q _1,2 = Qƒ _1,2 .

Из соотношений (4-7) получаемFrom relations (4-7) we obtain

Соотношение (10) оказывается идентичным (1) лишь при С₀=0, причем различия в значениях числителя и знаменателя выражений (10) и (1) при С₀=(5-10)пФ достигают 20%-30%. Однако различие значений tgδ, рассчитанных по соотношениям (10) и (1) при С₀<10 пФ, не превышают 2·10^-3, что в несколько раз ниже погрешности эксперимента - таблица 1.Relation (10) is identical to (1) only at С ₀ = 0, and the differences in the numerator and denominator of expressions (10) and (1) at С ₀ = (5-10) pF reach 20% -30%. However, the difference in the tanδ values calculated by the relations (10) and (1) at C ₀ <10 pF does not exceed 2 · 10 ^-3 , which is several times lower than the experimental error - Table 1.

Поэтому при С₀<10пФ для расчета tgδ нет смысла пользоваться более сложным соотношением (10), вполне применимо и упрощенное соотношение (1). Независимость значений tgδ от величины С₀ является дополнительным подтверждением отсутствия заметного вклада емкостного принципа изменения параметров L-ячейки в предлагаемом способе. Поскольку соотношение (1) справедливо лишь при индуктивном принципе работы L-ячейки, то его использование в прототипе некорректно.Therefore, for C ₀ <10 pF, it makes no sense to use the more complex relation (10) for calculating tanδ; the simplified relation (1) is also quite applicable. The independence of the values of tanδ from the value With ₀ is an additional confirmation of the absence of a noticeable contribution from the capacitive principle of changing the parameters of the L-cell in the proposed method. Since relation (1) is valid only with the inductive principle of the L-cell, its use in the prototype is incorrect.

Значения тангенса угла потерь tgδ жидкостей, найденные предложенным способом, в отличие от прототипа не зависят ни от индуктивности, ни от добротности измерительной ячейки. В качестве примера в таблице 1 приведены экспериментальные данные для бидистиллированной воды, полученные данным способом на одной и той же частоте 100 кГц на трех L-ячейках одинакового размера, но с разной индуктивностью (диаметр пробы 20,5 мм).The values of the tangent of the loss angle tanδ of liquids found by the proposed method, in contrast to the prototype, do not depend either on the inductance or on the quality factor of the measuring cell. As an example, Table 1 shows the experimental data for bidistilled water obtained by this method at the same frequency of 100 kHz on three L-cells of the same size, but with different inductances (sample diameter 20.5 mm).

Возможность нахождения с помощью L-ячейки не только значений tgδ, но и диэлектрической проницаемости жидкости, основывается, во-первых, на обнаруженном экспериментальном факте, что для немагнитных жидкостей величина ΔC=C₁-С₂>0, равная изменению резонансной емкости колебательного контура куметра после ввода жидкости в L-ячейку, определяется лишь исследуемой жидкостью и не зависит от индуктивности измерительной ячейки - таблица 1. И, во-вторых, на выяснении природы изменения индуктивности L-ячейки с немагнитными жидкостями и теоретическом доказательстве, что в случае индуктивного принципа работы L-ячейки величина ΔС при одинаковом размере проб жидкости определяется лишь их диэлектрической проницаемостью.The possibility of using the L-cell to find not only the values of tanδ but also the dielectric constant of the liquid is based, firstly, on the discovered experimental fact that for non-magnetic liquids the quantity ΔC = C ₁ -C ₂ > 0, which is equal to the change in the resonant capacitance of the oscillatory circuit after the liquid is introduced into the L-cell, it is determined only by the liquid under investigation and does not depend on the inductance of the measuring cell - Table 1. And, secondly, to clarify the nature of the change in the inductance of the L-cell with non-magnetic liquids and theoretical azatelstve that in the case of inductive operation principle of L-cells with the same value ΔS amount of sample liquid is determined only by their permittivity.

В прототипе и в других работах по L-ячейке полагается, что причиной изменения индуктивности ячейки с немагнитными жидкостями является возникновение внутри жидкости вихревых токов [2-7]. Между тем, учитывая, что индуктивность катушки Z, индукция магнитного поля В и магнитный поток Ф внутри ее связаны между собой соотношением Ф=BSN=LI, где S и N - площадь сечения и число ее витков, I - ток через катушку, а поле вихревых токов по правилу Ленца может только уменьшать магнитное поле катушки, то возникновение вихревых токов внутри жидкости должно приводить к уменьшению индуктивности L-ячейки.In the prototype and in other works on the L-cell, it is assumed that the cause of the change in the inductance of the cell with non-magnetic fluids is the appearance of eddy currents inside the fluid [2-7]. Meanwhile, taking into account that the inductance of the coil Z, the induction of the magnetic field B and the magnetic flux Ф inside it are interconnected by the relation Ф = BSN = LI, where S and N are the cross-sectional area and the number of its turns, I is the current through the coil, and the field eddy currents according to the Lenz rule can only reduce the magnetic field of the coil, then the appearance of eddy currents inside the liquid should lead to a decrease in the inductance of the L-cell.

В то же время из (4-5) имеемAt the same time, from (4-5) we have

Откуда при ΔC=C₁-C₂>0 получаем, что ΔL=L-L₀>0. Следовательно, введение немагнитной жидкости в L-ячейку приводит к увеличению индуктивности ячейки. Т.о. гипотеза об определяющей роли вихревых токов в принципе работы L-ячейки не согласуется со знаком наблюдаемых в эксперименте изменений ее параметров.Whence ΔC = C ₁ -C ₂ > 0, therefore, ΔL = LL ₀ > 0. Therefore, the introduction of a nonmagnetic fluid into the L-cell leads to an increase in the inductance of the cell. T.O. the hypothesis of the decisive role of eddy currents in the principle of operation of the L-cell does not agree with the sign of changes in its parameters observed in the experiment.

То, что в случае водных систем изменение индуктивности L-ячейки обусловлено не вихревыми, а токами смещения, выявляется после нахождения магнитной индукции В=В₀J₀(аr)/J₀(аr₀) и магнитного потока Ф=2πВ₀r₀J₁(аr₀)/аJ₀(аr₀) внутри цилиндрической бесконечно длинной ячейки, заполненной жидкостью с магнитной проницаемостью μ, диэлектрической проницаемостью ε и удельной электропроводностью χ на частоте ω, где В₀- поле внутри ячейки без жидкости, a²=μω(εω-iχ), J₀(ar), J₁(ar)- функции Бесселя, r₀- радиус пробы жидкости. Разложив функции Бесселя в ряд и избавившись от комплексных величин, получаем, что Ф=Ф₀+ΔФ_смещ.-ΔФ_вихр., где Ф₀, ΔФ_смещ.и ΔФ_вихр.- магнитный поток в отсутствие жидкости и его изменения за счет токов смещения и вихревых токов в жидкости. Знак изменения L, наблюдаемый в эксперименте, совпадает с эффектом от токов смещения, а от вихревых токов -противоположен. Вкладом от вихревых токов можно пренебречь, еслиThe fact that in the case of water systems the change in the inductance of the L-cell is caused not by eddy, but by bias currents, is detected after finding the magnetic induction B = B ₀ J ₀ (ar) / J ₀ (ar ₀ ) and the magnetic flux Ф = 2πВ ₀ r ₀ J ₁ (ar ₀ ) / a J ₀ (ar ₀ ) inside a cylindrical infinitely long cell filled with a liquid with magnetic permeability μ, dielectric constant ε and electrical conductivity χ at frequency ω, where B ₀ is the field inside the cell without liquid, a ² = μω (εω-iχ), J ₀ (ar), J ₁ (ar) are the Bessel functions, r ₀ is the radius of the liquid sample. By _{expanding the} Bessel functions in a series and getting rid of complex quantities, we get that Ф = Ф ₀ + ΔФ _bias. -ΔF _vortex. where Ф ₀ , ΔФ _bias. and ΔF _vortex. - magnetic flux in the absence of fluid and its changes due to bias currents and eddy currents in the fluid. The sign of the change in L observed in the experiment coincides with the effect of the bias currents, and it is opposite from the eddy currents. The contribution from eddy currents can be neglected if

Для проб водных растворов с r₀=1,5 см условие (12) будет выполняться приFor samples of aqueous solutions with r ₀ = 1.5 cm, condition (12) will be satisfied at

Соотношения (12-13) определяют верхний предел удельных электропроводностей водных растворов, для которых применим предлагаемый L-способ измерения их диэлектрических свойств. Пренебрегая вкладом от вихревых токов для таких растворов, получаемRelations (12-13) determine the upper limit of the specific conductivities of aqueous solutions, for which the proposed L-method for measuring their dielectric properties is applicable. Neglecting the contribution from eddy currents for such solutions, we obtain

где α=πlE $\binom{2}{max}$ /2(UQ₁)²- есть постоянная измерительной ячейки; Е_max=ωВ₀r/2 - максимальная напряженность электрического поля внутри L-ячейки радиусом r, U - напряжение, подаваемое на вход колебательного контура и не меняющееся во время измерений, l - длина L-ячейки. Из соотношения (15) следует, что для данной ячейки величина ΔС зависит только от квадрата радиуса пробы жидкости r $\binom{2}{0}$ и диэлектрической проницаемости жидкости ε. Линейную зависимость ΔС от ε при r₀=const подтверждает таблица 2, а от r $\binom{2}{0}$ - фиг.2.where α = πlE $\binom{2}{max}$ / 2 (UQ ₁ ) ² - is the constant of the measuring cell; ΩV E _max = ₀ r / 2 - the maximum electric field intensity within L-cell radius r, U - the voltage applied to the input of the oscillation circuit and does not change during the measurement, l - length of the L-cells. From relation (15) it follows that for a given cell, ΔС depends only on the square of the radius of the liquid sample r $\binom{2}{0}$ and dielectric permittivity ε. The linear dependence of ΔС on ε at r ₀ = const is confirmed by table 2, and on r $\binom{2}{0}$ - figure 2.

Измерения диэлектрических параметров с помощью L-ячейки упрощаются из-за наличия “эффекта насыщения”, благодаря которому значения ΔС и tgδ водных растворов не меняются при изменении поля внутри L-ячейки в диапазоне Е $\binom{*}{max}$ =5-300 мкВ/см. Независимость величин ΔС и tgδ от индуктивности и добротности измерительной ячейки есть следствие данного эффекта и происходит лишь если внутри ее E $\binom{*}{mах}$ =E $\binom{*}{mах}$ .Measurement of dielectric parameters using an L-cell is simplified due to the presence of a “saturation effect”, due to which the ΔС and tanδ values of aqueous solutions do not change when the field inside the L-cell changes in the range E $\binom{*}{max}$ = 5-300 μV / cm. The independence of ΔС and tanδ from the inductance and quality factor of the measuring cell is a consequence of this effect and occurs only if inside its E $\binom{*}{max}$ = E $\binom{*}{max}$ .

При Е $\binom{*}{max}$ =Е $\binom{*}{max}$ и r₀=const величина ΔС определяется лишь величиной диэлектрической проницаемости ε исследуемой жидкости, а рассчитанные по (1) значения tgδ - есть значения тангенса угла диэлектрических потерь этой жидкости в очень слабом электрическом поле E $\binom{*}{max}$ измерительной L-ячейки.At E $\binom{*}{max}$ = E $\binom{*}{max}$ and r ₀ = const, the ΔС value is determined only by the dielectric constant ε of the investigated fluid, and the tanδ values calculated from (1) are the values of the dielectric loss tangent of this fluid in a very weak electric field E $\binom{*}{max}$ measuring L-cell.

Оптимальные размеры измерительных L-ячеек выявляются из данных, представленных на фиг.2-3. Из фиг.2 следует, что рекомендованное в [7] уменьшение радиуса пробы жидкости приводит к снижению чувствительности способа. При r₀<10 мм искажается и зависимость между r $\binom{2}{0}$ и ΔС. Оптимальный размер радиуса пробы в предлагаемом способе составляет примерно 15 мм, т.о. оптимальный радиус обмотки измерительной L-ячейки r равен приблизительно 20 мм. Дальнейшее увеличение r приводит к увеличению сопротивления L-ячейки и снижению поля внутри ее ниже E $\binom{*}{max}$ на низких частотах.The optimal dimensions of the measuring L-cells are identified from the data presented in figure 2-3. From figure 2 it follows that the recommended in [7] the reduction of the radius of the liquid sample leads to a decrease in the sensitivity of the method. When r ₀ <10 mm, the dependence between r $\binom{2}{0}$ and ΔC. The optimal size of the radius of the sample in the proposed method is approximately 15 mm, i.e. the optimal radius of the winding of the measuring L-cell r is approximately 20 mm. A further increase in r leads to an increase in the resistance of the L-cell and a decrease in the field inside it below E $\binom{*}{max}$ at low frequencies.

Влияние длины обмотки l соленоидальной измерительной катушки индуктивности на полученные с ее помощью значения tgδ и ΔС исследуемого объекта показано на фиг.3 для L-ячейки с r=19 мм. Как видим, при длине катушки l>l₀, где l₀ - некоторое критическое значение длины катушки, отмеченное на фиг. 3 пунктиром, величина tgδ исследуемого объекта практически не зависит от l, а между ΔС и l наблюдается четкая линейная зависимость, подтверждающая соотношение (15). Очевидно, что для практических измерений пригодны лишь ячейки с l>l₀. При l<l₀соотношение (15) уже не выполняется, а значение tgδ существенно уменьшается. Критической длине катушки l₀ соответствует условиеThe influence of the winding length l of the solenoidal measuring inductance coil on the values tgδ and ΔС of the object under study obtained with it is shown in Fig. 3 for an L-cell with r = 19 mm. As you can see, with a coil length l> l ₀ , where l ₀ is a certain critical value of the coil length noted in FIG. 3 by a dashed line, the tanδ value of the studied object is practically independent of l, and between ΔС and l there is a clear linear relationship confirming relation (15). Obviously, only cells with l> l ₀ are suitable for practical measurements. For l <l _0, relation (15) is no longer satisfied, and the value of tanδ decreases significantly. The critical length of the coil l ₀ corresponds to the condition

Оно совпадает с условием, при котором магнитное поле внутри соленоида можно считать равным полю бесконечно длинного соленоида. В измерительных катушках меньшей длины происходит занижение значений tgδ. B катушках, удовлетворяющих условию (16), возрастает область однородного магнитного поля. На необходимость высокой однородности магнитного поля внутри измерительной ячейки указывает также то, что при неравномерной обмотке L-ячейки значения tgδ, найденные с ее помощью, заметно снижаются, даже если ее длина удовлетворяет условию (16).It coincides with the condition under which the magnetic field inside the solenoid can be considered equal to the field of an infinitely long solenoid. In measuring coils of shorter length, tanδ values are underestimated. In coils satisfying condition (16), the region of a uniform magnetic field increases. The need for a high uniformity of the magnetic field inside the measuring cell is also indicated by the fact that, with an uneven winding of the L-cell, the values of tanδ found with it decrease noticeably, even if its length satisfies condition (16).

Для получения частотной зависимости tgδ и ε объектов в широком диапазоне частот необходим комплект L-ячеек одинакового размера с перекрывающимся частотным диапазоном и комплект куметров (например, куметры TESLA BM-311, TESLA ВМ-560, ВМ 409G). При выполнении указанных выше условий различия между значениями tgδ и ΔС объектов с χ<χ_npeд., найденные на разных ячейках, не превышают погрешности эксперимента - фиг.4.To obtain the frequency dependence of tanδ and ε objects in a wide frequency range, a set of L-cells of the same size with an overlapping frequency range and a set of calometers (for example, TESLA BM-311, TESLA BM-560, VM 409G) are required. Under the above conditions, the differences between the values of tanδ and ΔС of objects with χ <χ _npe found on different cells do not exceed the experimental error - Fig.4.

Индикатором того, что объект имеет удельную электропроводность χ>χ_npeд. и предложенный способ для его исследования непригоден из-за увеличения вклада вихревых токов, является возникновение существенных различий между значениями tgδ, найденными с помощью L-ячеек с разной индуктивностью - фиг.5. Эксперимент подтверждает полученную по (12-13) оценку величины χ_пред., ограничивающей применимость L-способа измерения tgδ- фиг.5.An indicator that the object has a specific conductivity χ> χ _nde. and the proposed method for its study is unsuitable due to the increased contribution of eddy currents, there is a significant difference between the values of tanδ found using L-cells with different inductances - figure 5. The experiment confirms the estimate of χ _before obtained from (12-13) _. , limiting the applicability of the L-method of measuring tanδ - Fig.5.

Особенностью предложенного способа является то, что с его помощью выявляется низкочастотный максимум tgδ и низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости ε водных объектов, которая фиксируется по резкой частотной зависимости величины ΔС - фиг.4. Для растворов с χ<χ_пред. изменение ΔС завершается на частоте менее 10 МГц. Поэтому частотные изменения ε водных объектов наиболее просто характеризовать величиной ε_отн=ΔC/ΔC∞, где ΔС∞, - сдвиг резонансной емкости колебательного контура куметра после введения исследуемого объекта на частоте (1-10) МГц. Одновременное фиксирование значений tgδ и ε_отнпозволяет получить более полную информацию о свойствах водных объектов.A feature of the proposed method is that with its help a low-frequency maximum tanδ and a low-frequency dispersion of the dielectric constant ε of water bodies are detected, which is fixed by a sharp frequency dependence of ΔС - Fig. 4. For solutions with χ <χ _prev. ΔС change ends at a frequency of less than 10 MHz. Therefore, the frequency changes ε of water bodies are most easily characterized by the value ε _rel = ΔC / ΔC∞, where ΔС∞ is the shift of the resonance capacitance of the oscillatory circuit of the meter after introducing the studied object at a frequency of (1-10) MHz. Simultaneous recording of the values of tanδ and ε _rel allows to obtain more complete information about the properties of water bodies.

То, что определяемые предложенным способом потери - есть обычные диэлектрические потери, подтверждает совпадение во всем исследованном диапазоне частот частотных зависимостей tgδ (ν), полученных общеизвестным С- и предложенным L-способом для спиртов - фиг.6. Однако для водных объектов совпадение значений tgδ, полученных L- и С-способом наблюдается лишь на высоких частотах - фиг.6.The fact that the losses determined by the proposed method are ordinary dielectric losses confirms the coincidence in the entire investigated frequency range of the frequency dependences tanδ (ν) obtained by the well-known C- and proposed L-method for alcohols - Fig.6. However, for water bodies, the coincidence of the tanδ values obtained by the L- and C-methods is observed only at high frequencies - Fig.6.

Совпадение значений tgδ, полученных L- и С-способом для жидкостей без сплошной сетки водородных связей, например спиртов, а также подобие частотных зависимостей tgδ (ν), полученных С-способом для воды и спиртов и их принципиальное различие в случае L-способа (фиг.6), указывает на искажение состояния воды внутри С-ячейки. В L-ячейке жидкость подвергается воздействию вихревого электрического поля E $\binom{*}{max}$ , напряженность которого на 3-5 порядков меньше, чем в С-ячейке, поэтому его влияние на состояние воды гораздо меньше. Именно этот факт является причиной различия значений tgδ воды и ее растворов, полученных L- и С- способом. Т.о. предлагаемый L-способ измерения диэлектрических параметров в отличие от С-способа является методом неразрушающего контроля водных систем. Поэтому он представляет особый интерес для исследования именно водных объектов.The coincidence of the tanδ values obtained by the L and C methods for liquids without a continuous network of hydrogen bonds, for example alcohols, as well as the similarity of the frequency dependences tanδ (ν) obtained by the C method for water and alcohols and their fundamental difference in the case of the L method ( 6), indicates a distortion of the state of water inside the C-cell. In an L cell, the fluid is exposed to a vortex electric field E $\binom{*}{max}$ whose intensity is 3-5 orders of magnitude less than in the C-cell, therefore its effect on the state of water is much less. It is this fact that causes the difference in the tanδ values of water and its solutions obtained by the L and C methods. T.O. the proposed L-method for measuring dielectric parameters in contrast to the C-method is a method of non-destructive testing of water systems. Therefore, it is of particular interest for the study of water bodies.

Введение в воду примесей, увеличивающих ее удельную электропроводность, смещает область дисперсии ε и частоту, на которой наблюдается максимум tgδ, в область более высоких частот. Именно по этой причине наблюдается влияние проводимости жидкости на изменение параметров L-ячейки. Однако взаимосвязь между параметрами L-ячейки и проводимостью жидкости не прямая, не линейная и не однозначная и обусловлена влиянием ионов примесей на состояния воды. Поэтому, несмотря на полувековую историю разработки способа применения L-ячейки как способа бесконтактной кондуктометрии, приходим к выводу о его нецелесообразности.The introduction of impurities into water that increases its electrical conductivity shifts the dispersion region ε and the frequency at which the maximum tanδ is observed to a region of higher frequencies. It is for this reason that the effect of fluid conductivity on a change in the parameters of the L cell is observed. However, the relationship between the parameters of the L cell and the conductivity of the liquid is not direct, not linear, and not unambiguous and is due to the influence of impurity ions on water conditions. Therefore, despite the half-century history of the development of the method of using the L-cell as a method of non-contact conductometry, we conclude that it is not practical.

Однако предлагаемый способ применения L-ячейки как L-способ определения диэлектрических параметров водных растворов представляет несомненный интерес, так как позволяет получить принципиально новые сведения о свойствах воды. Например, как отмечено выше, с его помощью в водных объектах выявляется низкочастотная дисперсия диэлектрической проницаемости и низкочастотный максимум tgδ, не фиксируемый общеизвестным емкостным или С-способом измерения диэлектрических параметров.However, the proposed method of using the L-cell as an L-method for determining the dielectric parameters of aqueous solutions is of undoubted interest, as it allows to obtain fundamentally new information about the properties of water. For example, as noted above, with its help, a low-frequency dispersion of the dielectric constant and a low-frequency maximum tanδ, not fixed by the well-known capacitive or C-method for measuring dielectric parameters, are detected in water bodies.

Предлагаемый способ обладает всеми признаками, предъявляемыми к изобретению. В доступной литературе нет технического решения с данной совокупностью признаков и вполне может быть выдан патент на него.The proposed method has all the features presented to the invention. In the available literature there is no technical solution with this set of features and a patent for it may well be issued.

ЛитератураLiterature

1. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М., Высшая школа, 1975, 295 с.1. Lopatin B.A. Theoretical foundations of electrochemical methods of analysis. M., Higher School, 1975, 295 p.

2. Андреев B.C. Кондуктометрические методы и приборы в биологии и медицине. М., Медицина, 1973, 336 с.2. Andreev B.C. Conductometric methods and devices in biology and medicine. M., Medicine, 1973, 336 p.

3. Заринский В.А. Высокочастотный химический анализ. М., Наука, 1970, 200 с.3. Zarinsky V.A. High frequency chemical analysis. M., Science, 1970, 200 p.

4. Лопатин Б.А. Кондуктометрия. Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1964, 280 с.4. Lopatin B.A. Conductometry. Novosibirsk, Publishing House of the Siberian Branch of the Academy of Sciences of the USSR, 1964, 280 p.

5. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М., Высшая школа, 1975, 295 с.5. Lopatin B.A. Theoretical foundations of electrochemical methods of analysis. M., Higher School, 1975, 295 p.

6. Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. М., Наука, 1980, 207 с.6. Lopatin B.A. High-frequency titration with multi-link cells. M., Science, 1980, 207 pp.

7. Тонконогов М.П., Векслер В.А., Биржанов К.Ж. Диэлектрическая релаксация в водных растворах и суспензиях // Изв. вузов. Физика. 1975, №2. С.81-84 - прототип.7. Tonkonogov M.P., Veksler V.A., Birzhanov K.Zh. Dielectric relaxation in aqueous solutions and suspensions // Izv. universities. Physics. 1975, No. 2. S.81-84 - prototype.

8. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М., 1972, 412 с.8. Akhadov Y. Yu. Dielectric properties of pure liquids. M., 1972, 412 p.

9. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение. М., Госэнергоиздат, 1959, 336 с.9. Hippel A.R. Dielectrics and their application. M., Gosenergoizdat, 1959, 336 p.

Claims

The method of determining the dielectric parameters of water and its solutions in the frequency range 10 kHz-100 MHz using a set of solenoidal inductors of the same size (L-cells) connected to the oscillatory circuit of the meter, characterized in that the object under study with specific conductivity χ <χ _pre = 20 mS / cm where χ _before - the upper limit of the conductivities of the aqueous solutions introduced into L-cells with a capacitance C ₀ <10 pF in the insulating vessel so that the gap between the object and the measuring cell composition winding is 4–6 mm, the length 1 and the radius r of the winding of L-cells satisfy the condition 1 / r≥7, r≅20 mm, and the maximum possible value of the vortex electric field strength inside the cells is maintained within 5-300 μV / cm, while the inductive principle of L-cells operation is realized due to the occurrence of bias currents inside the studied object, depending on the dielectric parameters of the object, in which case the value of the tangent of the dielectric loss angle of the object is calculated by the ratio

where ΔR is the change in the active resistance of the L-cell;

ωΔL is the change in the inductance of the L-cell;

Q ₁ , C ₁ , Q ₂ , C ₂ - values of the quality factor and capacitance of the oscillatory circuit of the meter at resonance before and after placing the liquid inside the L-cell,

and the dielectric constant is characterized by the value ε _rel = ΔС / ΔС∞, where ΔС and ΔС∞ are the shift of the resonance capacitance of the oscillatory circuit of the meter after the test object is introduced at the measurement frequency and at a frequency of the order of 10 MHz.