Розвиток метрологічного забезпечення вимірювання електрофізичних параметрів об’єктів кваліметрії неелектричної природи

Abstract

Дисертація присвячена удосконаленню метрологічного забезпечення вимірювання електрофізичних параметрів об’єктів неелектричної природи. Вирішення проблеми грунтується на вимірюванні параметрів імітансу об’єкта контролю, що подається у вигляді багатоелементного двополюсника. Перелічено основні проблеми вимірювання об’єктів неелектричної природи електричними методами. Проаналізовано вплив ємності подвійного шару та імпедансу Варбурга на інформативні параметри, а також наведено схеми заміщення первинного перетворювача із врахуванням приелектродних ефектів. Отримано математичне моделювання складових адмітансу в широкому частотному діапазоні, що характеризується амплітудною зміною та зміною форми залежностей. За результатами аналізу математичної моделі можна вибрати частоту тестового сигналу або частотний діапазон дослідження електрофізичних параметрів об’єктів неелектричної природи за допомогою контактних первинних перетворювачів. Залежність реактивної складової адмітансу контактного первинного перетворювача з низькоомним об’єктом містить три піддіапазони частот, в яких складова має свій характер зміни. Запропоновано вимірювальні перетворювачі імпедансу об’єктів неелектричної природи, які забезпечують інваріантність результату вимірювання до ємності подвійного шару та до параметрів тестового сигналу. The thesis is dedicated to the improvement of metrological assurance of electrical parameters measuring of non-electrical nature objects. The solution of problem is based on immittance parameters measurement of control object, supplied as a multi-element two-terminal network. Parameters of such two-terminal network characterize physical and chemical properties of control object. It is established that near-electrode phenomena (in particular, the capacity of the double layer) significantly affect on the measurement result. The electrical and mathematical models of primary contact transducers with considering of the near-electrode effects are shown. The influence of the near-electrode capacity on the measurement result of informative parameters is analyzed. Mathematical modeling of admittance components in a wide frequency range is conducted. The dependence of the admittance reactive component of the primary contact transducer with a low-frequency control object contains three ranges in which the component has its own character changes. According to the analysis of mathematical model we can select the frequency of the test signal or frequency range of electrophysical parameters research of non-electrical nature objects, using the primary contact transducers. The variants of construction of “impedance-voltage” transducers with four-electrode contact sensors are suggested. This approach allows to provide a result invariance of the measurement to the near-electrode capacity and to the change of signal parameters. It is found that the near-electrode capacity of primary contact transducer depends not only on the area of the electrode, but also on the inter-electrode distance. Диссертация посвящена улучшению метрологического обеспечения измерения электрофизических параметров объектов неэлектрической природы. Проанализированы широкий спектр современных научных исследований с помощью имитансного метода измерения. Перечислены основные проблемы измерения объектов неэлектрической природы контактными первичными преобразователями. Проведенный анализ влияния емкости двойного слоя и импеданса Варбурга на информативные параметры, а также приведены схемы замещения первичного преобразователя с учетом приэлектродных эффектов. Получено математическое моделирование составляющих адмитанса в широком частотном диапазоне. Моделирование зависимостей характеризуется изменением как амплитудных значений так и формы. По результатам анализа, в зависимости от частотного диапазона можно измерять или приэлектродною емкость, или параметры объекта контроля. Реактивная составляющая адмитанса контактного первичного преобразователя с низкоомным объектом содержит три диапазона частот, в которых составляющая имеет свой характер изменения. Первый диапазон характеризуется экстремальным значением, второй – малой зависимостью от частоты и третий диапазон - стремительным ростом. Предложены варианты построения измерительных преобразователей импеданса объектов неэлектрической природы с четырехэлектродными контактными сенсорами, обеспечивающих инвариантность результата к неинформативным импедансам. Рассмотренные измерительные преобразователи могут быть использованы для построения средств контроля показателей качества жидкостей по реактивной и активной составляющими комплексной проводимости в звуковом частотном диапазоне.