ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ЁМКОСТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ И БЕТОННЫХ КОМПОЗИТОВ

Авторы

С.Н. Верзунов Институт машиноведения, автоматики и геомеханики НАН КР

Ключевые слова:

диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, адмиттанс, ёмкостный датчик, планарный гребенчатый датчик, полуцилиндрический датчик, синхронное квадратурное детектирование, геоматериалы, бетонные композиты

Аннотация

В статье рассматриваются методические и схемотехнические основы построения лабораторного стенда, предназначенного для реализации экспериментальной методики измерения комплексной диэлектрической проницаемости геоматериалов и бетонных композитов в диапазоне частот 100 Гц–10 кГц. Предлагается дифференциальный подход к измерению по схеме «измерительный–опорный», в котором информативный сигнал выделяется как сигнал разбаланса с последующим синхронным квадратурным детектированием и цифровой балансировкой опорного канала. В работе исследованы два варианта ёмкостных датчиков, ориентированных на образцы различной геометрии: планарный гребенчатый датчик для дискообразных образцов и полуцилиндрический датчик для цилиндрических кернов. Для планарного датчика обоснована технологически воспроизводимая геометрия, обеспечивающая упрощение изготовления и согласование параметров чувствительного элемента с характеристиками аналогово-цифрового тракта. Показано, что в низкочастотной области на результат измерения существенно влияют воздушные зазоры на границе «датчик–образец», паразитные ёмкости относительно земли, поверхностные токи утечки, а также амплитудно-фазовое рассогласование каналов. Приведены инженерные оценки ёмкости датчика, реактивного сопротивления и уровней измерительных сигналов, используемые при выборе коэффициентов усиления, диапазона АЦП и параметров цифровой обработки. Полученные результаты могут служить основой для дальнейшей экспериментальной верификации, численного моделирования электрического поля и разработки специализированных измерительных модулей для систем интеллектуального геотехнического мониторинга.

Библиографические ссылки

Верзунов, С. Н. Анализ интеллектуальных систем мониторинга состояния зданий и сооружений / С. Н. Верзунов, М. С. Макаров, К. А. Жолдошбаев // Проблемы автоматики и управления. – 2024. – № 2(50). – С. 27–36.

ГОСТ 22372–77. Материалы диэлектрические. Методы определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 5·10⁶ Гц. – М.: Изд-во стандартов, 1977.

ASTM D150–22. Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation. – West Conshohocken, PA : ASTM International, 2022.

Baker-Jarvis, J. Measuring the Permittivity and Permeability of Lossy Materials: Solids, Liquids, Metals, Building Materials, and Negative-Index Materials / J. Baker-Jarvis, M. D. Janezic, B. F. Riddle, R. T. Johnk, P. Kabos, C. L. Holloway, R. G. Geyer, C. A. Grosvenor. – Boulder : National Institute of Standards and Technology, 2005. – NIST Technical Note 1536.

Wang, D. Capacitive Sensing: Ins and Outs of Active Shielding / D. Wang. – Dallas : Texas Instruments, 2015. – Application Report SNOA926A.

Texas Instruments. Guarding in Multiplexer Applications. – Dallas : Texas Instruments, 2022. – Application Brief SCDA042.

Stanford Research Systems. About Lock-In Amplifiers. – Sunnyvale : Stanford Research Systems, 1992. – Application Note № 3.

Keysight Technologies. Impedance Measurement Handbook: A Guide to Measurement Technology and Techniques. – 6th ed. – Santa Rosa : Keysight Technologies, 2016. – Application Note 5950-3000.

Igreja, R. Analytical Evaluation of the Interdigital Electrodes Capacitance for a Multi-Layered Structure / R. Igreja, C. J. Dias // Sensors and Actuators A: Physical. – 2004. – Vol. 112, № 2–3. – P. 291–301. – DOI: 10.1016/j.sna.2004.01.040.

Chiang, C.-T. A Semicylindrical Capacitive Sensor with Interface Circuit Used for Flow Rate Measurement / C.-T. Chiang, Y.-C. Huang // IEEE Sensors Journal. – 2006. – Vol. 6, № 6. – P. 1564–1570. – DOI: 10.1109/JSEN.2006.883847.

Assaad, M. A Semi-Cylindrical Capacitive-Based Differential Sensing System for Water Content in Crude Oil Measurement / M. Assaad, A. M. Zubair, T. B. Tang // International Review on Modelling and Simulations. – 2014. – Vol. 7, № 1. – P. 213–220.

CSIRO. Dielectric Measurement of Rock Samples. – Perth : CSIRO, 2015.

Zhao, P.-Q. Intermediate-High Frequency Dielectric Permittivity of Oil-Wet Rock and the Wettability Characterization / P.-Q. Zhao, Y. Chen, Y.-T. Hou, X.-L. Chen, W. Duan, S.-Z. Ke // Petroleum Science. – 2025. – Vol. 22, № 4. – P. 1485–1496. – DOI: 10.1016/j.petsci.2025.02.001.

Haddad, A. S. Decreasing the Electric Permittivity of Cement by Graphite Particle Incorporation / A. S. Haddad, D. D. L. Chung // Carbon. – 2017. – Vol. 122. – P. 702–709. – DOI: 10.1016/j.carbon.2017.06.088.

Analog Devices. AD8253: Instrumentation Amplifier. – Norwood : Analog Devices, 2011. – Data Sheet.

Texas Instruments. DAC8830, DAC8831: 16-Bit, Ultra-Low Power, Voltage-Output Digital-to-Analog Converters. – Dallas : Texas Instruments, 2007. – Data Sheet SLAS449D.

Texas Instruments. ADS868x: 16-Bit, High-Speed, Single-Supply, SAR ADC Data Acquisition System with Programmable, Bipolar Input Ranges. – Dallas : Texas Instruments, 2022. – Data Sheet.