Чем определяются диэлектрические потери в горной породе
Диэлектрические потери в горных породах
Рассмотренные выше виды поляризации независимы друг от друга и аддитивны, т.е. вносят суммарный вклад в общую поляризацию горной породы. Электронная поляризация происходит практически мгновенно. Для завершения же последующих видов поляризации требуется все большее время (время релаксации). Поэтому с увеличением частоты переменного электрического поля все больше механизмов поляризации не успевает сработать и суммарный вектор поляризации уменьшается. При этом за счет запаздывания медленных видов поляризации увеличивается кинетическая энергия колебаний ионов и молекул в узлах кристаллической решетки, что сопровождается нагреванием горной породы. Та часть энергии электрического поля, которая расходуется на нагрев горной породы, называется диэлектрическими потерями.
По общефизическим представлениям переход электрической энергии в тепловую, действительно, представляется потерями. Однако с точки зрения горной практики такие потери могут оказаться весьма полезными. Так, нагревание породы в переменном электрическом поле используется при оттаивании мерзлых пород, термическом разрушении массивов и др. Дадим количественную оценку этого эффекта.
Рис.6.1. Электрическая схема горной породы
Подставив в уравнение значение из формулы (6.13), получим
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален количеству выделяющегося в горной породе тепла и в этом качестве является ее характеристикой. На практике обычно определяется удельное количество теплоты, т.е. выделяемая мощность в единице объема породы. Если представить породы в виде плоского конденсатора, то его емкость
Диэлектрические потери в горных породах
Диэлектрическая проницаемость и поляризация горных пород
Абсолютная диэлектрическая проницаемость
Таким образом, относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность электрического поля в горной породе меньше, чем в вакууме. Уменьшение напряженности поля в горной породе вызвано процессами ее поляризации, и в этом качестве относительная диэлектрическая проницаемость является мерой поляризации горных пород
где — вектор поляризации.
Под поляризацией понимают процесс разделения зарядов, в результате которого образуется объёмный дипольный электрический момент горной породы. Вектор этого момента направлен против внешнего поля и тем самым ослабляет его. В горных породах выделяют следующие виды поляризации:
5. Электрохимическая поляризация вызывается любыми химическими процессами, возникающими при прохождении тока по горным породам и связанными с разделением зарядов. К таким процессам можно отнести окислительно-восстановительные реакции, электролиз, электроосмос и др. Это самый медленный вид поляризации, для завершения которого требуются, подчас, десятки минут.
Рассмотренные выше виды поляризации независимы друг от друга и аддитивны, т.е. вносят суммарный вклад в общую поляризацию горной породы. Электронная поляризация происходит практически мгновенно. Для завершения же последующих видов поляризации требуется все большее время (время релаксации). Поэтому с увеличением частоты переменного электрического поля все больше механизмов поляризации не успевает сработать и суммарный вектор поляризации уменьшается. При этом за счет запаздывания медленных видов поляризации увеличивается кинетическая энергия колебаний ионов и молекул в узлах кристаллической решетки, что сопровождается нагреванием горной породы. Та часть энергии электрического поля, которая расходуется на нагрев горной породы, называется диэлектрическими потерями.
По общефизическим представлениям переход электрической энергии в тепловую, действительно, представляется потерями. Однако с точки зрения горной практики такие потери могут оказаться весьма полезными. Так, нагревание породы в переменном электрическом поле используется при оттаивании мерзлых пород, термическом разрушении массивов и др. Дадим количественную оценку этого эффекта.
Рис.6.1. Электрическая схема горной породы
Подставив в уравнение значение из формулы (6.13), получим
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь прямо пропорционален количеству выделяющегося в горной породе тепла и в этом качестве является ее характеристикой. На практике обычно определяется удельное количество теплоты, т.е. выделяемая мощность в единице объема породы. Если представить породы в виде плоского конденсатора, то его емкость
Электропроводность горных пород.
В горных породах возможно возникновение всех видов токов: 
.
В переменных поляхгорным породам присущи все виды токов, т.к. в них имеются и проводящие компоненты (металлы), и диэлектрики (кварц), а также электролиты (пластовая вода). При наложении на породу переменного электрического поля часть его энергии теряется, точнее, преобразуется в тепло. Эти потери можно разделить на потери от проводимости и релаксации (связанной с различными видами поляризации). Их можно разделить на обратимые (заряд и разряд идеального конденсатора) и необратимые (они и вызывают нагрев породы). Рассеиваемая мощность (удельные электрические потери) может быть выражена формулой:
.
Здесь tgδ –тангенс угла диэлектрических потерь среды, f –частота поля.
Для более ясного представления о тангенсе угла диэлектрических потерьсоставим эквивалентную электрическую схему протекающих в горной породе активной и реактивной (емкостной) составляющих токов (рис.1.8.4.).
  | Рис. 1.8.4. Эквивалентная электрическая схема горной породы во внешнем переменном электрическом поле |
Диэлектрические потери характеризуются отношением активной составляющей тока jа к реактивной составляющей jr или тангенсом угла d диэлектрических потерь в треугольнике токов и напряжений (рис.1.8.5.) или на векторной диаграмме токов (рис. 1.8.6.).
 | Рис. 1.8.5. Векторная диаграмма распределения токов и напряжений в породе: Jскв. – плотность сквозного тока; Jабс. а. – плотность активного релаксационного тока; Jсм. – плотность емкостного тока (смещения); Jабс.р. – плотность реактивного тока. |
 | Рис. 1.8.6. Векторная диаграмма токов: Jа = Jскв.+Jабс. а Jr = Jсм.+Jабс. р |
Т.о., тангенс угла диэлектрических потерь определяется выражением:
.
Тангенс угла диэлектрических потерь можно выразить и другим способом, имея в виду, что относительная диэлектрическая проницаемость среды в переменных электромагнитных полях есть величина комплексная и выражается зависимостью:
,
где 
и 
— действительные и мнимые составляющие относительной диэлектрической проницаемости.
Тогда тангенс угла диэлектрических потерь выражается формулой:
.
Дата добавления: 2014-10-31 ; просмотров: 214 ; Нарушение авторских прав
ГОСТ 25495-82 Породы горные. Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
Текст ГОСТ 25495-82 Породы горные. Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
ПОРОДЫ ГОРНЫЕ
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
ГОСТ 25495-82
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СВОДоПО СТ4НДАШГАМ
Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Г. Я. Новик (руководитель темы), И. Ю. Буров, В. Н. Морозов, А. Г. Су-диловский, В. Д. Христолюбов, Э. И. Пархоменко
ВНЕСЕН Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Зам. министра Н. С. Егоров
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 4 ноября 1982 г. № 4150
УДК 552.1:621.317.335.3:006.354 Группа А09
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
Rocks. Method for the determination of permittivity and dielektric loss tangent
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 4 ноября 1982 г. № 4150 срок действия установлен
с 01.01.84 до 01.01.89
Несоблюдение стандарта преследуется по закону
Настоящий стандарт распространяется на твердые горные породы, которые при внесении в электрическое поле измерительного конденсатора понижают добротность измерительного колебательного контура не ниже 10, и устанавливает метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 10000 кГц для расчетов процессов разрушения скальных горных пород с применением электромагнитных полей, геофизических исследований и контроля качества минерального сырья.
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Метод разработан применительно к нормальным условиям: температура окружающей среды 15—25°С, относительная влажность 45—75 %.
1.2. Общие требования, предъявляемые к образцам, и подготовка образцов — по ГОСТ 21153.0—75 со следующими дополнениями.
1.2.1. Образцы должны иметь петрографическое описание.
1.2.2. Образцы горных пород изготовляют в виде дисков диаметром 40—50 мм (в исключительных случаях — квадратов размером 50×50 или 40X40 мм), толщиной не более 5 мм.
© Издательство стандартов, 1983
1.2.3. В особых случаях, когда пробы пород получены из глубоких или сверхглубоких скважин, допускается изготовлять образцы диаметром 30 мм.
1.2.4. Образцы шлифуют до снятия видимых рисок и тщательно промывают в проточной теплой воде. Рабочие поверхности не должны иметь дефектов (сколов, трещин и т. д.), внесенных резкой образцов. Непосредственно перед замером образцы обезжиривают.
1.2.5. Толщину образца измеряют с погрешностью не более 0,1 % микрометром и определяют как среднее арифметическое результатов не менее пяти измерений в разных точках по поверхности образца.
1.2.6. Диаметр или сторону квадрата измеряют штангенциркулем.
2. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ
2.1. Отбор проб и изготовление образцов — по ГОСТ 21153.0—75 со следующими дополнениями:
диаметр керна—40—50 мм; длина керна — не менее 60 мм;
суммарная длина керна в пробе — не менее 200 мм; куски (штуфы) размером не менее 150X150X150 мм; количество кусков в пробе — 2—3 шт.; количество образцов в пробе — 8—10 шт.
3. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Для проведения испытаний применяют:
измеритель добротности типа Е4—4, Е9—4 или другой, отвечающий требованиям ГОСТ 22261—76;
шкаф сушильный вакуумный, обеспечивающий постоянную температуру нагрева 105—110°С в течение 24 ч;
конденсатор измерительный с микрометрическим винтом (см. чертеж).
Диапазон рабочих частот / = 50-Ъ15000 кГц, диаметр обкладок 60 мм, емкость рабочей камеры
где D 0 — диаметр образца, мм;
h — расстояние между электродами, равное высоте образца, мм;
микрометр с пределом измерения от 0 до 25 мм, с ценой деления 0,01 мм по ГОСТ 11195—74;
1—нижнее основание; 2—фарфоровый
Фторо-пластовый изолятор, 3—нижняя обкладка измерительного конденсатора,
6—подвижной шток микрометрического винта, 7—верхняя плата, 8, 9—микрометрический винт
весы аналитические с пределом взвешивания от 0 до 200 г с погрешностью измерения 0,001 г;
эксикатор типа Э по ГОСТ 6371—73;
кальций хлористый сухой по ГОСТ 4460—77;
штангенциркуль с ценой деления ОД мм по ГОСТ 166—73.
4. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
4.1. Образцы, предназначенные для испытания, сушат до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105—110°С и охлаждают в эксикаторе с сухим хлористым кальцием.
4.2. Образцы оставляют на 24 ч в нормальных условиях (температура 15—25°С, относительная влажность воздуха 45—75%).
4.3. Измеритель добротности (в дальнейшем прибор) подключают к сети, прогревают в течение 10—15 мин, проверяют установку нулей и калибровку прибора.
5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
5.1. Устанавливают на приборе требуемую частоту, подключают соответствующую катушку индуктивности и измеряют при
максимальном отклонении стрелки на шкале добротности (при зашкаливании стрелки переходят на более высокий диапазон измерения Q) добротность Q, и емкость С\. Результат заносят в таблицу (см. обязательное приложение).
5.2. Помещают в центр нижней пластины измерительного конденсатора исследуемый образец (не касаясь пальцами поверхностей образца и электродов), вращением винта опускают верхнюю пластину до появления треска в микрометре (следя за тем, чтобы образец не сдвинулся в сторону) и отмечают показания микрометра.
Для повышения надежности контакта между пластинами и образцом эту операцию повторяют два-три раза, следя за тем, чтобы образец не сдвинулся в сторону от центра измерительных пластин.
5.3. Подключают к выводу Сх измерительный конденсатор с образцом и производят замер Q2 и С2, как указано в п. 5Л.
5.4. Извлекают образец из измерительного конденсатора и устанавливают расстояние между пластинами микрометрическим винтом, равное толщине образца.
5.5. Производят замер Q3 и С3, как указано в п. 5.1.
5.6. Замеряют геометрические размеры образца — ширину Ь> длину /, толщину s.
5.7. Результаты замеров Сь С2, С3, Q1, Q2, Q3 и геометрических размеров образца заносят в таблицу, форма которой приведена в обязательном приложении.
6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
6.1. По геометрическим размерам образца вычисляют его площадь S=b4 или 5 = яг 2 и рассчитывают емкость рабочего объема конденсатора С0 по формуле
где е6 — относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, равная 1;
во — электрическая постоянная, равная 8,85-10
6.2. Рассчитывают е и tg6 по следующим формулам:
6.3. Результаты вычислений заносят в таблицу (см. обязательное приложение).
6.4. Если испытаниям подвергались влажные образцы, не прошедшие подготовку в соответствии с пп. 4.1 и 4.2, то дополни
тельно определяют влажность весовым методом и результаты заносят также в таблицу.
6.5. Результаты измерений каждой группы образцов подвергают статистической обработке с целью выявления среднего значения параметров и оценки доверительного интервала.
6.5.1. Среднее арифметическое значение различных параметров, например е, вычисляют по формуле
6.5.2. Среднюю квадратическую ошибку вычисляют по формуле
6.5.3. Коэффициент вариации получают по формуле
6.5.4. Ошибку среднего арифметического получают по формуле
6.5.5. Доверительный интервал при доверительной вероятности а=0,95 равен Ae = tg»ae,,J,
где ig n a — коэффициент Стьюдента.
Для каждого значения tg» а определяют по таблице.
Чем определяются диэлектрические потери в горной породе
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
Rocks. Method for the determination of permittivity and dielektric loss tangent
РАЗРАБОТАН Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Г.Я.Новик (руководитель темы), И.Ю.Буров, В.Н.Морозов, А.Г.Судиловский, В.Д.Христолюбов, Э.И.Пархоменко
ВНЕСЕН Министерством высшего и среднего специального образования СССР
Зам. министра Н.С.Егоров
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 4 ноября 1982 г. N 4150
Настоящий стандарт распространяется на твердые горные породы, которые при внесении в электрическое поле измерительного конденсатора понижают добротность измерительного колебательного контура не ниже 10, и устанавливает метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот от 100 до 10000 кГц для расчетов процессов разрушения скальных горных пород с применением электромагнитных полей, геофизических исследований и контроля качества минерального сырья.
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
1.1. Метод разработан применительно к нормальным условиям: температура окружающей среды 15-25 °С, относительная влажность 45-75%.
1.2.1. Образцы должны иметь петрографическое описание.
1.2.3. В особых случаях, когда пробы пород получены из глубоких или сверхглубоких скважин, допускается изготовлять образцы диаметром 30 мм.
1.2.4. Образцы шлифуют до снятия видимых рисок и тщательно промывают в проточной теплой воде. Рабочие поверхности не должны иметь дефектов (сколов, трещин и т.д.), внесенных резкой образцов. Непосредственно перед замером образцы обезжиривают.
1.2.5. Толщину образца измеряют с погрешностью не более 0,1% микрометром и определяют как среднее арифметическое результатов не менее пяти измерений в разных точках по поверхности образца.
1.2.6. Диаметр или сторону квадрата измеряют штангенциркулем.
2. МЕТОД ОТБОРА ПРОБ
куски (штуфы) размером не менее 150х150х150 мм;
3. АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Для проведения испытаний применяют:
измеритель добротности типа Е4-4, Е9-4 или другой, отвечающий требованиям ГОСТ 22261-76;
шкаф сушильный вакуумный, обеспечивающий постоянную температуру нагрева 105-110 °С в течение 24 ч;
конденсатор измерительный с микрометрическим винтом (см. чертеж).
Диапазон рабочих частот =50+15000 кГц, диаметр обкладок 60 мм, емкость рабочей камеры
,
— расстояние между электродами, равное высоте образца, мм;
микрометр с пределом измерения от 0 до 25 мм, с ценой деления 0,01 мм по ГОСТ 11195-74;
весы аналитические с пределом взвешивания от 0 до 200 г с погрешностью измерения 0,001 г;
эксикатор типа Э по ГОСТ 6371-73;
кальций хлористый сухой по ГОСТ 4460-77;
штангенциркуль с ценой деления 0,1 мм по ГОСТ 166-73.
4. ПОДГОТОВКА К ИСПЫТАНИЮ
4.1. Образцы, предназначенные для испытания, сушат до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105-110 °С и охлаждают в эксикаторе с сухим хлористым кальцием.
4.2. Образцы оставляют на 24 ч в нормальных условиях (температура 15-25 °С, относительная влажность воздуха 45-75%).
4.3. Измеритель добротности (в дальнейшем прибор) подключают к сети, прогревают в течение 10-15 мин, проверяют установку нулей и калибровку прибора.
5. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ
5.2. Помещают в центр нижней пластины измерительного конденсатора исследуемый образец (не касаясь пальцами поверхностей образца и электродов), вращением винта опускают верхнюю пластину до появления треска в микрометре (следя за тем, чтобы образец не сдвинулся в сторону) и отмечают показания микрометра.
Для повышения надежности контакта между пластинами и образцом эту операцию повторяют два-три раза, следя за тем, чтобы образец не сдвинулся в сторону от центра измерительных пластин.
5.4. Извлекают образец из измерительного конденсатора и устанавливают расстояние между пластинами микрометрическим винтом, равное толщине образца.
6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
6.1. По геометрическим размерам образца вычисляют его площадь 
или 
и рассчитывают емкость рабочего объема конденсатора по формуле
[Ф],
6.2. Рассчитывают и по следующим формулам:
;
.
6.3. Результаты вычислений заносят в таблицу (см. обязательное приложение).
6.4. Если испытаниям подвергались влажные образцы, не прошедшие подготовку в соответствии с пп.4.1 и 4.2, то дополнительно определяют влажность весовым методом и результаты заносят также в таблицу.
6.5. Результаты измерений каждой группы образцов подвергают статистической обработке с целью выявления среднего значения параметров и оценки доверительного интервала.
.
6.5.2. Среднюю квадратическую ошибку вычисляют по формуле
.
6.5.3. Коэффициент вариации получают по формуле
.
6.5.4. Ошибку среднего арифметического получают по формуле
.
6.5.5. Доверительный интервал при доверительной вероятности =0,95 равен 
,