介電常數(shù)測(cè)試儀參數(shù)

介電常數(shù)測(cè)試儀參數(shù)

1、范圍

本標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)量液體、易熔材料以及固體材料。測(cè)試結(jié)果與某些物理?xiàng)l件有關(guān)，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。

2、規(guī)范性引用文件

IEC60247:1978  液體絕緣材料相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測(cè)量

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

相對(duì)電容率relative permittivity

電容器的電之間及電周?chē)目臻g全部充以絕緣材料時(shí)，其電容C_x與同樣電構(gòu)形的真空電容C_o之比；

式中；

C_x——充有絕緣材料時(shí)電容器的電電容；

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對(duì)電容率ε _r等于1.00053，因此，用這種電構(gòu)形在空氣中的電容C_x來(lái)代替C_o測(cè)量相對(duì)電容率ε_r時(shí)，也有足夠的度。

在SI制中，電容率用法/米（F/m）表示。而且，在SI單位中，電氣常數(shù)ε_r，為：

在本標(biāo)準(zhǔn)中，用皮法和厘米來(lái)計(jì)算電容，真空電氣常數(shù)為:ε₀=0.088 54 pF/cm

介質(zhì)損耗角dielectric loss angle

由絕緣材料作為介質(zhì)的電容器上所施加的電壓與由此而產(chǎn)生的電流之間的相位差的余角。

介質(zhì)損耗因數(shù)^1） dielectric dissipation factor

損耗角δ的正切。

[介質(zhì)]損耗指數(shù) [dielectric] loss index

該材料的損耗因數(shù)tanδ與相對(duì)電容率ε_r的乘積。

復(fù)相對(duì)電容率 complex relative permittivity

由相對(duì)電容率和損耗指數(shù)結(jié)合而得到的：

式中：

ε''_r——損耗指數(shù)；

tanδ——介質(zhì)損耗因數(shù)。

                 并聯(lián)等值電路                                                                 串聯(lián)等值電路

式中：

R_s——串聯(lián)電阻；

C_P——并聯(lián)電容；

雖然以并聯(lián)電路表示一個(gè)具有介質(zhì)損耗的絕緣材料通常是合適的，但在單一頻率下，有時(shí)也需要以電容C_s和電阻R_s的串聯(lián)電路來(lái)表示。

無(wú)論串聯(lián)表示法還是并聯(lián)表示法，其介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ是相等的。

本標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算和測(cè)量是根據(jù)電流（ω=πf）正弦波形作出的。

4.1電介質(zhì)的用途

用作電氣回路元件的支撐，并且使元件對(duì)地絕緣及元件之間相互絕緣；

4.2影響介電性能的因素

4.2.1頻率

電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的變化是由于介質(zhì)化和電導(dǎo)而產(chǎn)生，重要的變化是性分子引起的偶子化和材料的不均勻性導(dǎo)致的界面化所引起的。

損耗指數(shù)在一個(gè)頻率下可以出現(xiàn)一個(gè)值，這個(gè)頻率值與電介質(zhì)材料的溫度有關(guān)。介質(zhì)損耗因數(shù)和電容率的溫度系數(shù)可以是正的或負(fù)的，這取決于在測(cè)量溫度下的介質(zhì)損耗指數(shù)值位置。

化的程度隨水分的吸收量或電介質(zhì)材料表面水膜的形成而增加，其結(jié)果使電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電導(dǎo)率增大。因此試驗(yàn)前和試驗(yàn)時(shí)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行控制是*的。

4.2.4電場(chǎng)強(qiáng)度

在較高的頻率下，只要電介質(zhì)中不出現(xiàn)局部放電，電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

5.1固體絕緣材料

測(cè)定材料的電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)，好采用板狀試樣，也可采用管狀試樣。

需要測(cè)低損耗因數(shù)值時(shí)，很重要的一點(diǎn)是導(dǎo)線(xiàn)串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測(cè)電容和該電阻的乘積要盡可能小。同樣，被測(cè)電容對(duì)總電容的比值要盡可能地大。點(diǎn)表示導(dǎo)線(xiàn)電阻要盡可能低及試樣電容要小,第二點(diǎn)表示接有試樣橋臂的總電容要盡可能小，且試樣電容要大。因此試樣電容好取值為20pF，在測(cè)量回路中，與試樣并聯(lián)的電容不應(yīng)大于約5pF，

5.1.2.1加到試樣上的電

對(duì)于介質(zhì)損耗因數(shù)的測(cè)量，這種類(lèi)型的電在高頻下不能滿(mǎn)足要求，除非試樣的表面和金屬板都非常平整。圖1所示的電系統(tǒng)也要求試樣厚度均勻。.

表面電導(dǎo)率很低的試樣可以不加電而將試樣插入電系統(tǒng)中測(cè)量，在這個(gè)電系統(tǒng)中，試樣的一側(cè)或兩側(cè)有一個(gè)充滿(mǎn)空氣或液體的間隙。

下面兩種型式的電裝置特別合適.

當(dāng)試樣插入和不插人時(shí)，電容都能調(diào)節(jié)到同一個(gè)值，不需進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的電氣校正就能測(cè)定電容率。電系統(tǒng)中可包括保護(hù)電。

在電容率近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量與試樣厚度測(cè)量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時(shí)，試樣厚度和電系統(tǒng)的尺寸可以從計(jì)算公式中消去。

5.1.2.3邊緣效應(yīng)

此外，在一個(gè)合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護(hù)環(huán)和無(wú)保護(hù)環(huán)的（比較）測(cè)量來(lái)獲得，用所得到的邊緣電容修正其他頻率和溫度下的電容也可滿(mǎn)足精度要求。

5.1.3.1金屬箔電

5.1.3.2燒熔金屬電

5.1.3.3噴鍍金屬電

5.1.3.4陰蒸發(fā)或高真空蒸發(fā)金屬電

5.1.3.5汞電和其他液體金屬電

伍德合金和其他低熔點(diǎn)合金能代替汞。但是這些合金通常含有鎘，鎘象汞一樣，也是毒性元素。這些合金只有在良好抽風(fēng)的房間或在抽風(fēng)柜中才能用于100℃以上，且操作人員應(yīng)知道可能產(chǎn)生的健康危害。

無(wú)論是氣干或低溫烘干的高電導(dǎo)率的銀漆都可用作電材料。因?yàn)榇朔N電是多孔的，可透過(guò)濕氣，能使試樣的條件處理在涂上電后進(jìn)行，對(duì)研究濕度的影響時(shí)特別有用。此種電的缺點(diǎn)是試樣涂上銀漆后不能馬上進(jìn)行試驗(yàn)，通常要求12h以上的氣干或低溫烘干時(shí)間，以便去除所有的微量溶劑，否則，溶劑可使電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)增加。同時(shí)應(yīng)注意漆中的溶劑對(duì)試樣應(yīng)沒(méi)有持久的影響。

5.1.3.7石墨

5.1.4電的選擇

考慮下面兩點(diǎn)很重要：

b）若試樣上是加電的，由測(cè)量試樣厚度h時(shí)的相對(duì)誤差△h/h所引起的相對(duì)電容率的相對(duì)誤差△ε_r/ε_r可由下式得到：

式中：

ε_r——相對(duì)電容率；

Ah——試樣厚度的偏差。

 ……………………………（13）

△ε_r、ε_r、h同式（12）。

對(duì)于相對(duì)電容率為10以上的無(wú)孔材料，可采用沉積金屬電。對(duì)于這些材料，電應(yīng)覆蓋在試樣的整個(gè)表面上，并且不用保護(hù)電。對(duì)于相對(duì)電容率在3?10之間的材料，能給出高精度的電是金屬箔、汞或沉積金屬，選擇這些電時(shí)要注意適合材料的性能。若厚度的測(cè)量能達(dá)到足夠精度時(shí)，試樣上不加電的方法方便而更可取。假如有一種合適的流體，它的相對(duì)電容率已知或者能很準(zhǔn)確地測(cè)出，則采用流體排出法是好的。

對(duì)管狀試樣而言，合適的電系統(tǒng)將取決于它的電容率、管壁厚度、直徑和所要求的測(cè)量精度。一般情況下，電系統(tǒng)應(yīng)為一個(gè)內(nèi)電和一個(gè)稍為窄一些的外電和外電兩端的保護(hù)電組成，外電和保護(hù)電之間的間隙應(yīng)比管壁厚度小。對(duì)小直徑和中等直徑的管狀試樣，外表面可加三條箔帶或沉積金屬帶，中間一條用作為外電（測(cè)量電），兩端各有一條用作保護(hù)電。內(nèi)電可用汞，沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸。

大直徑的管狀或圓筒形試樣，其電系統(tǒng)可以是圓形或矩形的搭接，并且只對(duì)管的部分圓周進(jìn)行試驗(yàn)。這種試樣可按板狀試樣對(duì)待，金屬箔、沉積金屬膜或配合較好的金屬芯軸內(nèi)電與金屬箔或沉積金屬膜的外電和保護(hù)電一起使用。如采用金屬箔做內(nèi)電，為了保證電和試樣之間的良好接觸，需在管內(nèi)采用一個(gè)彈性的可膨脹的夾具。

5.2液體絕緣材料

對(duì)于低介質(zhì)損耗因數(shù)的待測(cè)液體，電系統(tǒng)重要的特點(diǎn)是：容易清洗、再裝配（必要時(shí)）和灌注液體時(shí)不移動(dòng)電的相對(duì)位置。此外還應(yīng)注意：液體需要量少，電材料不影響液體，液體也不影響電材料，溫度易于控制，端點(diǎn)和接線(xiàn)能適當(dāng)?shù)仄帘危恢坞姷慕^緣支架應(yīng)不浸沉在液體中，還有，試驗(yàn)池不應(yīng)含有太短的爬電距離和尖銳的邊緣，否則能影響測(cè)量精度。

由于有些液體如氯化物，其介質(zhì)損耗因數(shù)與電材料有明顯的關(guān)系，不銹鋼電不總是合適的。有時(shí)，用鋁和杜拉鋁制成的電能得到比較穩(wěn)定的結(jié)果。

應(yīng)用一種或幾種合適的溶劑來(lái)清洗試驗(yàn)池，或用不含有不穩(wěn)定化合物的溶劑多次清洗?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)試驗(yàn)方法檢查其純度，或通過(guò)一個(gè)已知的低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體試樣測(cè)量的結(jié)果來(lái)確定。3試驗(yàn)池試驗(yàn)幾種類(lèi)型的絕緣液體時(shí)，若單使用溶劑不能去除污物，可用一種柔和的擦凈劑和水來(lái)清潔試驗(yàn)池的表面。若使用一系列溶劑清洗時(shí)則要用沸點(diǎn)低于100°C的分析級(jí)的石油醚來(lái)再次清洗，或者用任一種對(duì)一個(gè)已知低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體測(cè)量能給出正確值的溶劑來(lái)清洗，并且這種溶劑在化學(xué)性質(zhì)上與被試液體應(yīng)是相似的。推薦使用下述方法進(jìn)行清洗。

待試驗(yàn)池的各部件冷卻到室溫，再重新裝配起來(lái)。池內(nèi)應(yīng)注人一些待試的液體，停幾分鐘后，倒出此液體再重新倒人待試液體，此時(shí)絕緣支架不應(yīng)被液體弄濕。

注1:在同種質(zhì)量油的常規(guī)試驗(yàn)中，上面所說(shuō)的淸洗步驟可以代之為在每一次試驗(yàn)后用沒(méi)有殘留紙屑的干紙簡(jiǎn)單地擦擦試驗(yàn)池。

5.2.3試驗(yàn)池的校正

“電常數(shù)”C。的確定按式（14）:

式中：

C_o——空氣中電裝置的電容；

ε_n——校正液體的相對(duì)電容率。

來(lái)計(jì)算液體未知相對(duì)電容率ε_x。

C_g——校正電容；

C_c——電常數(shù)|

ε_x——液體的相對(duì)電容率。

采用上述方法測(cè)定液體電介質(zhì)的相對(duì)電容率時(shí)，可保證其測(cè)得結(jié)果有足夠的精度，因?yàn)樗擞捎诩纳娙莼螂婇g隙數(shù)值的不準(zhǔn)確測(cè)量所引起的誤差。

測(cè)量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的方法可分成兩種：零點(diǎn)指示法和諧振法。

6.2諧振法適用于10kHz?幾百M(fèi)Hz的頻率范圍內(nèi)的測(cè)量。該方法為替代法測(cè)量，常用的是變電抗法。但該方法不適合采用保護(hù)電。

7、試驗(yàn)步驟

試樣應(yīng)從固體材料上截取，為了滿(mǎn)足要求，應(yīng)按相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法的要求來(lái)制備。

7.2條件處理

7.3測(cè)量

在1MHz或更高頻率下，必須減小接線(xiàn)的電感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此時(shí)，可采用同軸接線(xiàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖1所示），當(dāng)用變電抗法測(cè)量時(shí)，應(yīng)提供一個(gè)固定微調(diào)電容器。

8.1相對(duì)電容率ε_r

 ……………………………（17）

ε_r——相對(duì)電容率；

C_e——邊緣電容;

C_o和C_e能從表1計(jì)算得來(lái)。

測(cè)微計(jì)電間或不接觸電間被測(cè)試樣的相對(duì)電容率可按表2、表3中相應(yīng)的公式計(jì)算得來(lái)。

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ按照所用的測(cè)量裝置給定的公式，根據(jù)測(cè)出的數(shù)值來(lái)計(jì)算。

在第5章和附錄A中所規(guī)定的精度是：電容率精度為±1%，介質(zhì)損耗因數(shù)的精度為±（5%±0.0005）。這些精度至少取決于三個(gè)因素：即電容和介質(zhì)損耗因數(shù)的實(shí)測(cè)精度；所用電裝置引起的這些量的校正精度；間法向真空電容的計(jì)算精度（見(jiàn)表1）。

對(duì)于帶有保護(hù)電的試樣，其測(cè)量精度只考慮間法向真空電容時(shí)有計(jì)算誤差。但由被保護(hù)電和保護(hù)電之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點(diǎn)幾，而校正只能計(jì)算到其本身值的百分乏幾。如果試樣厚度的測(cè)量能到±0.005mm，則對(duì)平均厚度為1.6mm的試樣，其厚度測(cè)量誤差能達(dá)到百分之零點(diǎn)幾。圓形試樣的直徑能測(cè)定到±0.1%的精度，但它是以平方的形式引人誤差的，綜合這些因素，間法向真空電容的測(cè)量誤差為±0.5%。

采用測(cè)微計(jì)電時(shí)，數(shù)量級(jí)是0.03的介質(zhì)損耗因數(shù)可測(cè)到真值的±0.0003，數(shù)量級(jí)0.0002的介質(zhì)損耗因數(shù)可測(cè)到真值的±0.00005介質(zhì)損耗因數(shù)的范圍通常是0.0001?0.1，但也可擴(kuò)展到0.1以上。頻率在10MHz和20MHz之間時(shí)，有可能檢測(cè)出0.00002的介質(zhì)損耗因數(shù)。1?5的相對(duì)電容率可測(cè)到其真值的±2%，該精度不僅受到計(jì)算間法向真空電容測(cè)量精度的限制，也受到測(cè)微計(jì)電系統(tǒng)誤差的限制。

試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)給出下列相關(guān)內(nèi)容：

試樣條件處理的方法和處理時(shí)間；

測(cè)量?jī)x器；

施加的電壓；

相對(duì)電容率ε_r（平均值）；

試驗(yàn)日期；

表1  真空電容的計(jì)算和邊緣校正

（1）

（單位：皮法和厘米）

邊緣電容的校正

（3）

3.有保護(hù)環(huán)的圓柱形電

4.沒(méi)有保護(hù)環(huán)的圓柱形電

其中：ε₁ 是試樣相對(duì)電容率的近似值

其中：

In——自然對(duì)數(shù)；

表2 試樣電容的計(jì)算——接觸式測(cè)微計(jì)電

單位為毫米

1——內(nèi)電；

2——外電；

3——保護(hù)環(huán)；

圖2  液體測(cè)量的三電試驗(yàn)池示例

注滿(mǎn)試驗(yàn)池所需的液體量大約15mL

2——絕緣子；

圖3  測(cè)量液體的兩電試驗(yàn)池示例

1——溫度計(jì)插孔；

3——石英玻璃；

5——溫度計(jì)插孔

<span "="" style="margin: 0px; padding: 0px; line-height: initial;">圖4  液體測(cè)量的平板兩電試驗(yàn)池