Способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов

Авторы патента:

Сафронова Екатерина Юрьевна (RU)

Осипов Александр Константинович (RU)

Ярославцев Андрей Борисович (RU)

Голубенко Даниил Владимирович (RU)

G01R27/00 - Устройства для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или электрических характеристик, производных от них

Владельцы патента RU 2615601:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) (RU)

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности для определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов, в том числе полимерных пленок и тканей. Предложен способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов в условиях различных сред либо в условиях различной относительной влажности с учетом вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод. Для реализации способа образец помещают в ячейку с электродами в количестве 6÷8 единиц, измеряют четырехконтактным методом не менее трех значений сопротивления образца между электродами, расположенными на разном расстоянии друг от друга. Затем строят график зависимости ионного сопротивления (R) образца от расстояния между электродами (L) и находят тангенс угла наклона (tgα) графика зависимости и определяют удельную электропроводность (σ) по формуле:

где S_сеч - площадь сечения образца. Изобретение позволяет повысить достоверность определения электропроводности за счет учета вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод и использования четырехконтактного метода определения электропроводности. 2 ил., 1 табл.

К ионпроводящим пленкам относятся твердополимерные ионообменные мембраны. Ионообменные мембраны используются в различных устройствах, в том числе в топливных элементах. Эффективность топливных элементов зависит от электропроводности ионообменных мембран, которая сильно понижается с уменьшением относительной влажности окружающей среды. В топливных элементах ионообменная мембрана находится в контакте с газообразной средой. Поэтому определение ее удельной электропроводности в таких условиях при различной относительной влажности является важной задачей.

Известен способ определения электропроводности ионообменных мембран (Т. Soboleva et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry. 2008. 622, 145-152), заключающийся в определении сопротивления (R) между двумя электродами, расположенными на фиксированном расстоянии друг от друга (L), и расчете удельной электропроводности по формуле:

где σ - удельная электропроводность, S - площадь образца, L -расстояние между потенциальными электродами.

Недостатком такого способа является то, что при расчете удельной электропроводности не учитывается вклад контактного сопротивления на границе образец/электрод.

Известен способ определения удельной электропроводности ионообменных мембран (Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 7617-7626), заключающийся в определении электросопротивления образцов с помощью четырех электродов. Преимуществом данного способа является повышение достоверности определения электропроводности за счет уменьшения влияния индуктивности и емкости ячейки для определения электропроводности.

Недостатком такого способа является то, что вклад контактного сопротивления на границе образец/электрод не учитывается.

Известен способ определения удельной электропроводности ионообменных мембран, называемый методом с подвижным электродом (Электрохимия. 2000, 36, 365-368), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Данный способ заключается в учете вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод. Контактное сопротивление (R_конт.) определяют путем экстраполяции зависимости сопротивления (R) от расстояния между электродами (L) в точку L=0. Удельную электропроводность (σ) рассчитывают по формуле:

где σ - удельная электропроводность, S_сеч - площадь сечения образца, L - расстояние между электродами, R - сопротивление, R_конт. - контактное сопротивление.

Недостатками этого прототипа является его использование для определения электропроводности ионообменных мембран только в контакте с жидкой средой и определение электропроводности двухконтактным способом, что не дает возможности определения из годографов импеданса значения сопротивления образца в контакте с газообразной средой.

Настоящее изобретение направлено на увеличение достоверности определения удельной электропроводности ионпроводящих пленок и тканей.

Технический результат достигается тем, что предложен способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов в условиях различных сред либо в условиях различной относительной влажности с учетом вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод, заключающийся в том, образец помещают в ячейку с электродами в количестве 6÷8 единиц, измеряют четырехконтактным методом не менее трех значений сопротивления образца между электродами, расположенными на разном расстоянии друг от друга, строят график зависимости ионного сопротивления (R) образца от расстояния между электродами (L) и находят тангенс угла наклона (tgα) графика зависимости и определяют удельную электропроводность (σ) по формуле:

где S_сеч - площадь сечения образца.

Количество электродов в ячейке определяется тем, что для описания графика зависимости ионного сопротивления от расстояния между электродами достаточно 6 электродов, дальнейшее увеличение количества электродов до 8 не приводит к заметному увеличению достоверности определения.

Сущность изобретения заключается в том, что характер зависимости сопротивления образца от расстояния между электродами позволяет учитывать вклад контактного сопротивления на границе образец/электрод, а использование четырехконтактного метода определения удельной электропроводности дает возможность определять значения сопротивления образца в контакте с газообразной средой из годографов импеданса, а значит, увеличить достоверность определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов.

Изобретение проиллюстрировано на Фиг. 1, Фиг. 2 и в Таблице.

На Фиг. 1 «Схема ячейки для определения удельной электропроводности с восемью электродами» представлена схема ячейки, где

1-8 - медные электроды;

9 - подложка, на которую наносятся электроды;

10 - прижимная часть ячейки, обеспечивающая контакт между образцом и электродами.

На Фиг. 2 «Зависимость ионного сопротивления мембраны Nafion 117 от расстояния между потенциальными электродами» представлен характер зависимости, учитывающий вклад контактного сопротивления (R_конт.).

В Таблице «Удельная электропроводность мембраны Nafion 117 при различной относительной влажности окружающей среды при температуре t=22°C» приведены экспериментально полученные значения удельной электропроводности.

Заявленный в качестве изобретения способ определения удельной электропроводности материала осуществляют следующим образом. Измеряют толщину (h) и ширину (w) образца с точностью 0.001 мм и 0.1 мм соответственно и рассчитывают его площадь сечения по формуле:

Образец помещают в ячейку между электродами в количестве от 6 до 8 единиц и прижимной частью ячейки так, чтобы он контактировал со всеми электродами по всей ширине. Измеряют последовательно от трех до пяти спектров импеданса образца четырехэлектродным методом на переменном токе на различном расстоянии электродов друг от друга. Для этого токовые провода от импедансметра подключают к электродам 1, 8, а потенциальные провода - к электродам 2, 7; или токовые к 1, 7, потенциальные - к 2, 6; или токовые к 1, 6, потенциальные - к 2, 5; или токовые к 1, 5, потенциальные - к 2, 4; или токовые к 1, 4, потенциальные - к 2, 3.

Строят график зависимости значений ионного сопротивления (R), полученного из спектров импеданса, от расстояния между электродами (L), характер зависимости (Фиг. 2) может быть описан формулой:

где учитывается R_конт - контактное сопротивление системы, равное свободному члену линейной регрессии. Находят тангенс угла наклона (tgα) графика зависимости и определяют удельную электропроводность (σ) по формуле:

где S_сеч - площадь сечения образца.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления способа определения удельной электропроводности ионпроводящего материала. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1.

Электропроводность ионообменной мембраны Nafion 117 определяли при относительной влажности RH=20% на воздухе при температуре 22°С. Прямоугольный образец шириной 1 см и длиной 2 см предварительно выдерживали в заданных условиях. Перед экспериментом определяли ширину образца (w) с точностью 0.1 мм, затем его толщину в 5 точках с точностью 0.001 мм, рассчитывали среднее значение толщины (h) и рассчитывали площадь сечения (S=h⋅w).

Образец помещали в ячейку между шестью электродами и прижимной частью ячейки так, чтобы он контактировал со всеми электродами по всей ширине. Измеряли последовательно три спектра импеданса четырехэлектродным методом в диапазоне частот 10⁶-1 Гц на различном расстоянии электродов друг от друга. Для этого токовые провода от импедансметра подключали к электродам 1, 6, потенциальные провода - к 2, 5 (спектр 1); затем токовые к 1, 5, потенциальные - к 2, 4 (спектр 2); затем токовые к 1, 4, потенциальные - к 2, 3 (спектр 3).

Строили график зависимости ионного сопротивления от расстояния между электродами, описывали его линейной регрессией с помощью метода наименьших квадратов и определяли свободный член линейной регрессии, равный значению контактного сопротивления образца, и тангенс угла наклона графика зависимости.

Из тангенса угла наклона рассчитывали значение удельной электропроводности, которое составило 1.5⋅10^-3 Ом^-1 см^-1. Контактное сопротивление в данном случае равнялось 2667 Ом, что составляет 40% от измеряемого между ближайшими электродами сопротивления.

Пример 2.

Электропроводность ионообменной мембраны Nafion 117 определяли в контакте с водой при температуре 22°С. Прямоугольный образец шириной 1 см и длиной 2 см предварительно выдерживали в воде при заданной температуре. Перед экспериментом определяли ширину образца (w) с точностью 0.1 мм, затем его толщину в 5 точках с точностью 0.001 мм, рассчитывали среднее значение толщины (h) и рассчитывали площадь сечения (S=h⋅w).

Образец помещали в ячейку между восемью электродами и прижимной частью ячейки так, чтобы он контактировал со всеми электродами по всей ширине. Измеряли последовательно пять спектров импеданса четырехэлектродным методом в диапазоне частот 10⁶-1 Гц на различном расстоянии электродов друг от друга. Для этого токовые провода от импедансметра подключали к электродам 1, 8, потенциальные провода - к 2, 7 (спектр 1); затем токовые к 1, 7, потенциальные - к 2, 6 (спектр 2); затем токовые к 1, 6, потенциальные - к 2, 5 (спектр 3); затем токовые к 1, 5, потенциальные - к 2, 4 (спектр 4); затем токовые к 1, 4, потенциальные - к 2, 3 (спектр 5).

Из тангенса угла наклона рассчитывали значение электропроводности, которое составило 0.112 Ом^-1см^-1. Контактное сопротивление в данном случае равнялось 22.7 Ом, что составляет 33% от измеряемого между ближайшими электродами сопротивления.

Удовлетворение изобретения критерию «промышленная применимость» подтверждается следующим примером.

Пример 3.

По Примеру 1 определяли удельную электропроводность мембраны Nafion 117 при различной относительной влажности окружающей среды при температуре t=22°C.

Результаты определения представлены в Таблице.

Как следует из Таблицы, удельная электропроводность мембраны Nafion 117 на 3 порядка возрастает с увеличением влажности, что согласуется с имеющимися литературными данными.

Заявляемый в качестве изобретения способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов в условиях различных сред либо при различной относительной влажности позволяет повысить достоверность определения электропроводности за счет учета вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод и использования четырехконтактного метода определения электропроводности.

Способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов в условиях различных сред либо в условиях различной относительной влажности с учетом вклада контактного сопротивления на границе образец/электрод, заключающийся в том, что образец помещают в ячейку с электродами в количестве 6÷8 единиц, измеряют четырехконтактным методом не менее трех значений сопротивления образца между электродами, расположенными на разном расстоянии друг от друга, строят график зависимости ионного сопротивления (R) образца от расстояния между электродами (L) и находят тангенс угла наклона (tgα) графика зависимости и определяют удельную электропроводность (σ) по формуле:

где S_ceч - площадь сечения образца.

Использование: для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θв, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2.

Преобразователь сопротивления и термо-эдс в напряжение // 2612200

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение и преобразования термо-ЭДС.

Способ определения составляющих импеданса биообъекта // 2586457

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона.

Способ измерения сопротивления изоляции и устройство его реализующее // 2585965

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».

Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов // 2585326

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов.

Устройство для измерения электрического сопротивления земли // 2584923

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Для проектирования и строительства линий электропередачи проводятся изыскательские работы, при этом исследуется местность, определяются характеристики грунта, в том числе электрическое сопротивление земли.

Способ измерения физической величины // 2579359

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. Согласно способу возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте.

Кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электросопротивления высокорезистивных объектов // 2573624

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Заявленный кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электрического сопротивления высокорезистивных объектов, преимущественно, пленочных образцов из нанокомпозиционных материалов, содержит корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель; внутри корпуса на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки, установлены C-образные зажимы с плоскими губками для размещения исследуемого образца, выполненные из вольфрамовой проволоки, причем в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца, размещаемого в C-образных зажимах.

Способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве // 2573623

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано в различных областях наноиндустрии. Заявлен способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве.

Способ цифрового измерения электрических величин // 2567441

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает преобразование измеряемой электрической величины и отсчет измеренной электрической величины.

Устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления // 2616852

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля различных физических величин посредством резистивных датчиков, например терморезисторов. Технический результат - повышение точности измерения электрического сопротивления и упрощение конструкции устройства для дистанционного измерения электрического сопротивления. Устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления содержит двухпроводную линию связи, первый и второй диоды, генератор импульсного напряжения треугольной формы, первый и второй источники постоянного напряжения, стабилизатор тока, первый и второй накопительные конденсаторы, первый и второй электронные ключи, измеритель разности напряжений. К катоду первого и к аноду второго диодов подключено измеряемое сопротивление. 2 з.п. ф-лы. 1 ил.

Способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов // 2618480

Изобретение относится к области измерительной техники. Предложен способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ), включающий облучение образца радиопоглощающего материала и металлической пластины одинаковых размеров импульсными сверхширокополосными сигналами, регистрацию дискретных сигналов, соответствующих сигналам от образца радиопоглощающего материала - выборока Vc и от металлической пластины - выборока Vm, вычисление амплитудных спектров сигналов с помощью преобразования Фурье и получении частотной характеристики коэффициента отражения как отношения амплитудных спектров и, отличающийся тем, что сверхширокополосный сигнал находится в пикосекундном диапазоне, а выборки Vc и Vm до выполнения преобразования Фурье дополняют нулевыми отсчетами до длины N, причем N=2n≥100⋅N0, где N0 - изначальная длина выборок, а затем выполняют ядерное сглаживание выборок Vc и Vm в окне Гаусса с шириной h, причем h выбирается по принципу максимального правдоподобия с исключением объектов по одному по формуле , где V - исходная выборка, Vs - сглаживающая функция, V/{i} - выборка с исключенным i-м отсчетом. Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в повышении точности измерений за счет уменьшения шага по частоте в частотной характеристике коэффициента отражения РПМ, а также за счет снижения шумовой составляющей измеренных импульсных сигналов методом ядерного сглаживания, при этом относительная погрешность определения частотной характеристики коэффициента отражения по сравнению с прототипом уменьшается на 10-15%. Изобретение может быть использовано в радиотехнике, в частности в радиолокации. 3 ил.

Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал // 2619828

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сигналов с различных первичных преобразователей, используемых для определения деформаций и напряжений при прочностных испытаниях объектов транспорта. Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал предназначен для измерения сигналов с различных первичных преобразователей, используемых для определения деформаций и напряжений при прочностных испытаниях. Устройство содержит резистивные датчики (1-4), источник тока питания датчиков (5), ключ для переключения питания датчиков (14), подключенный к дополнительному источнику опорного напряжения (13), аналого-цифровой преобразователь (6), подключенный к устройству управления (10), ключ для переключения диапазона измерения (19) преобразователя (6), цифроаналоговый преобразователь (7), подключенный к двухпозиционным ключам для переключения режима измерения (16), подсоединенный к основному источнику опорного напряжения (12) и инструментальным усилителям (8, 9), при этом вход инструментального усилителя (8) подключен к выходам программируемых делителей напряжения (17), (18), потенциальные линии датчиков, общий провод (20), цифроаналоговый преобразователь для источника тока (21), выход которого подключен к входу источника тока (5), цифровые шины данных (22), подсоединенные к шине управления (23). Техническим результатом является упрощение обслуживания, обеспечение работы с широкой номенклатурой разнообразных датчиков, увеличение диапазонов измерений за счет программирования источников тока, номинального напряжения и делителей напряжения. 1 ил.

Способ определения угла сдвига фаз свч-устройства с преобразованием частоты // 2621368

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при определении комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты, например, СВЧ-смесителей. Выходной сигнал промежуточной частоты исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты преобразуют в СВЧ-сигнал, частота которого равна частоте сигнала на его входе, с помощью обратновключенного опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты. Измеряют с помощью векторного анализатора цепей суммарный угол сдвига фаз исследуемого и опорного СВЧ-устройств с преобразованием частоты. Измеряют разность угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. После этого измеряют разность угла сдвига фаз опорного СВЧ-устройства с преобразованием частоты и фазы когерентного опорного сигнала, который получают от генератора опорных сигналов. Искомое значение угла сдвига фаз исследуемого СВЧ-устройства с преобразованием частоты определяют по формуле: . 1 ил.

Устройство бесконтактного измерения электромагнитных параметров тонких пленок // 2626573

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, а также диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок и наноматериалов. Устройство состоит из генератора 1, выход которого подключен к входу излучателя электромагнитного сигнала 2, соединенного с разветвителем 3, первый выход которого соединен со входом опорного приемника 4, подключенного ко входу измерителя параметров сигнала 5, а второй выход разветвителя соединен со входом введенного дополнительного разветвителя 6, первый выход которого подключен через объект контроля 7 ко входу первого приемника сигнала 8, подключенного к измерителю параметров сигналов 5, а второй выход дополнительного разветвителя соединен с входом второго приемника 9 через образец эталонного материала с известными электромагнитными параметрами 10 и соединен с входом измерителя параметров сигнала 5, выход которого соединен с входами устройства обработки 11 и устройства управления 12, которое в свою очередь подключено ко входу генератора 1. Техническим результатом при реализации заявленного устройства является уменьшение погрешности измерения при исследовании тонких пленок, имеющих малый коэффициент отражения при сохранении возможности комплексных измерений одновременно трех электромагнитных параметров контролируемого материала. 1 ил.

Система оптимизации стабильности системы электропитания // 2636230

Группа изобретений относится к системам и способам анализа стабильности систем электропитания. Имитация системы (100) электропитания, включающей элементы-источники (109) и элементы-нагрузки (111), выполняется для получения данных (328) импеданса, причем данные (328) импеданса определяют импеданс системы (100) электропитания. Профиль (401) стабильности системы (100) электропитания определяется как функция данных (328) импеданса, причем профиль (401) стабильности идентифицирует элементы-источники (109) и элементы-нагрузки (111) для управления генерированием электроэнергии в электрической системе (100) с целью оптимизации стабильности системы (100) электропитания. Обеспечивается стабильность системы электропитания на борту летательного аппарата. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

Способ и устройство для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также терминальное устройство // 2643460

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца. Технический результат заключается в обеспечении объединения идентификации отпечатка пальца и сенсорной кнопки, в увеличении конструктивной прочности защитного стекла и повышении удобства для пользователя. Устройство содержит датчик для идентификации отпечатка пальца, расположенный под защитным стеклом терминального устройства; схему для идентификации отпечатка пальца, соединенную с датчиком для идентификации отпечатка пальца; емкостный датчик касания, расположенный под датчиком для идентификации отпечатка пальца; емкостную сенсорную схему, соединенную с емкостным датчиком касания; и переключатель, используемый для включения или отключения датчика для идентификации отпечатка пальца и схемы для идентификации отпечатка пальца, а также для включения или отключения емкостного датчика касания и емкостной сенсорной схемы. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях // 2646526

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для достоверного определения компонентного состава и концентраций примесей в жидких диэлектриках, применяемых в системе нефтепродуктообеспечения, медицине и научных исследованиях. Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях содержит этапы, на которых после заполнения межэлектродного пространства измерительного датчика исследуемой жидкостью на его электроды подают переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют его спектральную характеристику. Для этого определяют электрическую емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты. Шаг изменения частот определяется в зависимости от частотного диапазона. Определяют рабочую частоту, для чего измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком. На основании измеренных частот определяют емкость датчика в исследуемой жидкости. Технический результат – уменьшение времени и повышение точности определения диэлектрических параметров в измеряемой среде, упрощение аппаратурной составляющей. 1 з.п. ф-лы.