專利名稱：測量樣品電阻率的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及測量樣品電阻率的裝置和方法，更具體地說，涉及測量混凝土和以水泥為基礎的材料的電阻率的裝置和方法。與常規技術比較，所述裝置和方法改善了精度和重復性。
例如在確定這種材料的物理性質和特性時，特別是考慮到要監測這種性質如何隨著材料的使用時間而改變時，就要進行這種測量。另外在許多情況下，可用混凝土和以水泥為基礎的材料來建造建筑物和房間，以便研究、制造和存貯電子部件和半導體產品。在這種情況下，往往希望建造電氣屏蔽的房間。如果利用混凝土或以水泥為基礎的材料作為主要的建造材料，則必需能夠確定混凝土等的電阻率。
通常，混凝土或以水泥為基礎的材料的電阻率是這樣確定的制造一個棱柱體材料樣品，然后測量放在該樣品相對兩側的二個平板電極之間的電流和電壓。顯然，在這種測量電阻率的常規方法中，平板電極和樣品之間的接觸極為重要。如果接觸松了，測量就不精確，有時還會毫無意義。
為了改善接觸，可以在樣品側面與電極之間放置新鮮的水泥凈漿(cement paste)或膠體石墨(colloidal graphic)。另外，還可施加外力，將電極與樣品的側面牢固地夾緊。然而，這些方法只在測量開始時是有效的，因為樣品的水合作用會引起收縮，導致在該樣品中形成裂紋和裂縫，這意味著再也不能可靠地進行測量。另外，當使用水泥凈漿來改善連接時，因為水泥凈漿是高度堿性的，會腐蝕電極，因此不得不定期地更換電極。
總之，現在還沒有一種完全令人滿意的方法，可用以對混凝土或以水泥為基礎的材料的電阻率進行可靠和可重復的測量。
最好，所述樣品是混凝土或以水泥為基礎的材料制成的樣品。
在第一個實施例中，變壓器為雙臂式變壓器，并且原線圈和次級線圈都是圍繞著變壓器芯而形成的。
在第二個實施例中，變壓器為單臂式變壓器，并且原線圍繞在變壓器芯周圍，而所述次級線圈圍繞所述單臂而形成。
最好該樣品制成為所述以水泥為基礎的材料的一個環。該環可以是圓環形或是矩形。
最好電壓測量裝置包括一個在所述環的表面上形成并在圓周方向上周圍所述樣品而延伸的線圈。最好電流測量裝置包圍所述樣品的徑向截面。該電流測量裝置可以是泄漏電流測量儀(leakage current meter)或者是Rrogowski線圈。
從另一方面看，本發明提供了一種測量材料樣品電阻率的方法，其包括(a)制成所述材料的樣品，作為變壓器的次級線圈；(b)將電壓加在所述變壓器的原線圈上；(c)測量在所述樣品上所感應出的電壓；(d)測量在所述樣品上所感應出的電流；和(e)由步驟(c)和(d)的結果，確定所述樣品的電阻率。
圖3表示等價電路；圖4表示混凝土樣品的截面；圖5為示意圖，表示同樣形狀的三個混凝土樣品的結果；和圖6為示意圖，表示利用傳統方法所測的樣品電阻率。
圖1表示本發明的第一個實施例。在這個實施例中，設置一雙臂型變壓器芯1，原線圈2繞在變壓器芯的中間臂3的周圍。在本發明的這一實施例中，變壓器的次級線圈由所要測量的混凝土或以水泥為基礎的材料的樣品4構成。樣品4為混凝土或以水泥為基礎的材料模制成的一個環。樣品4可以是如圖1所示的圓環，或者是更易于模制的矩形環。在樣品4的上表面上形成單一一個線圈5，從而可進行圓環面的電壓測量，為了測量在樣品中流動的電流，在樣品截面周圍設置一個Rrogowski線圈或泄漏電流測量儀。
圖2表示另一實施例。在該實施例中，變壓器是單臂型。原線圈繞在變壓器芯周圍，而所要測量的材料的樣品制成一個環，圍繞著變壓器的單臂。
在使用本發明的實施例時，將交流電壓加在原線圈上，結果，在次級線圈，亦即混凝土或以水泥為基礎的材料的樣品上，感應出圓環面電壓(V)。通過測量這一圓環面電壓和在樣品中流動的感應電流，即可確定樣品的阻抗和電阻率。這點將參考表示等價電路的圖3和表示材料樣品截面的圖4，在下面樣品為圓環的例子中加以說明。
在樣品中所感應出的電流與樣品的半徑r有關，并且電流沿樣品直徑的分布具有正比于l/r的梯度。通過采用Rrogowski線圈或相似的泄漏電流測量儀，圍繞在次級線圈的整個橫截面周圍，將電流積分，所測得的結果(I)與形成次級線圈的樣品的精確位置或電流測量點的精確位置無關。
因為混凝土和以水泥為基礎的材料的物理特性，它們并非純電阻。等價電路表示于圖3，圖中R為樣品的電阻，C為樣品的電容。
混凝土樣品的電阻率可由下式計算R＝Rh.ln(rex/rin)/2π式中h為圓環樣品的高度；rex為外半徑；rin為內半徑；R由下式計算R＝Vp-p/(Ip-pcos)式中Vp-p為圓環面電壓(峰-峰值)；Ip-p為樣品中流動的電流(峰～峰值)；為圓環面電壓和電流之間的相位差。在測量期間可以測量該相位差，而實際上它接近于零。理論上，電阻率可能與頻率有關，但在1MHz～2NHz頻率范圍內，可以認為電阻率與頻率無關。因此可以選擇2MHz作為合適的測量頻率。
圖5表示用波特蘭I型(Portland Type I)水泥和水(水與水泥的比例為0.5)所制成的三個形狀相同的樣品的電阻率與時間的關系曲線。三條曲線相同，顯示本發明的測量方法具有非常好的可重復特性。與圖5相反，圖6表示采用帶電極的傳統方法所測出的相同的混凝土樣品的電阻率與時間關系的曲線，可以看出，傳統方法所測出的電阻率較高，這可能是樣品與電極間接觸的結果。另外，采用傳統方法所測出的電阻率隨時間而有較大的增加。
雖然以混凝土的電阻率的測量而說明了本發明的實施例，但應當了解，本發明也可用于測量其它材料(例如土壤)的電阻率。本發明的另一種可能的應用是測量吊橋纜索的電阻率，用以檢測斷裂的地方(斷裂處電阻率增大)。
權利要求
1.一種用于測量材料樣品的電阻率的裝置，其包括由原線圈和由所述樣品構成的次級線圈形成的變壓器；將電壓加在所述原線圈上的裝置；測量在所述樣品上所感應出的電壓的裝置，以及測量在所述樣品上所感應出的電流的裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述變壓器為雙臂式變壓器，并且其特征還在于所述原線圈和所述次級線圈二者均圍繞著變壓器芯而形成。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述變壓器為單臂式變壓器，并且其特征還在于所述原線圈圍繞在變壓器芯周圍，而所述次級線圈則圍繞所述單臂而形成。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述樣品為混凝土或以水泥為基礎的材料制成的樣品。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于所述樣品制成為由所述以水泥為基礎的材料的一個環。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所述環為圓環形的。
7.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所述環為矩形的。
8.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所述電壓測量裝置包括一個在所述環的表面上形成并在圓周方向上圍繞所述樣品而延伸的線圈。
9.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所述電流測量裝置包圍著所述樣品的徑向截面。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于所述電流測量裝置為泄漏電流測量儀(leakage current meter)。
11.如權利要求9所述的裝置，其特征在于所述電流測量裝置為Rrogowski線圈。
12.一種測量材料樣品的電阻率的方法，其包括(a)將所述材料的樣品制成為變壓器的次級線圈；(b)將電壓加在所述變壓器的原線圈上；(c)測量在所述樣品上所感應出的電壓；(d)測量在所述樣品上所感應出的電流；以及(e)由步驟(c)和(d)的結果，確定所述樣品的電阻率。
全文摘要
本發明提供了一種測量樣品的電阻率的裝置和方法，該樣品具體而言是一個以水泥為基礎的材料的樣品。該裝置包括變壓器，變壓器由一個原線圈和由所述以水泥為基礎的材料的樣品構成的次級線圈組成。該裝置還包括將電壓供給所述原線圈的裝置，測量在所述樣品上所感應出的電壓的裝置，以及測量在所述樣品上所感應出的電流的裝置。可以測量樣品的電阻并從而計算出混凝土樣品的電阻率來。
文檔編號G01N33/38GK1399130SQ0212622
公開日2003年2月26日 申請日期2002年7月16日 優先權日2001年7月19日
發明者李宗津, 李文萊 申請人:香港科技大學