介電常數(shù)測試儀參數(shù)

1、范圍

本標準適用于測量液體、易熔材料以及固體材料。測試結(jié)果與某些物理條件有關(guān)，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場強度有關(guān)。

2、規(guī)范性引用文件

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

下列術(shù)語和定義適用于本標準。

相對電容率relative permittivity

電容器的電之間及電周圍的空間全部充以絕緣材料時，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——充有絕緣材料時電容器的電電容；

在標準大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率ε _r等于1.00053，因此，用這種電構(gòu)形在空氣中的電容C_x來代替C_o測量相對電容率ε_r時，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：

在本標準中，用皮法和厘米來計算電容，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與相對電容率ε_r的乘積。

復(fù)相對電容率 complex relative permittivity

由相對電容率和損耗指數(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，有時也需要以電容C_s和電阻R_s的串聯(lián)電路來表示。

無論串聯(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。

本標準中的計算和測量是根據(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)在一個頻率下可以出現(xiàn)一個值，這個頻率值與電介質(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)可以是正的或負的，這取決于在測量溫度下的介質(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。因此試驗前和試驗時對環(huán)境濕度進行控制是*的。

4.2.4電場強度

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)與電場強度無關(guān)。

5.1固體絕緣材料

測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。

需要測低損耗因數(shù)值時，很重要的一點是導(dǎo)線串聯(lián)電阻引人的損耗要盡可能地小，即被測電容和該電阻的乘積要盡可能小。同樣，被測電容對總電容的比值要盡可能地大。點表示導(dǎo)線電阻要盡可能低及試樣電容要小,第二點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

對于介質(zhì)損耗因數(shù)的測量，這種類型的電在高頻下不能滿足要求，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)中測量，在這個電系統(tǒng)中，試樣的一側(cè)或兩側(cè)有一個充滿空氣或液體的間隙。

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，電容都能調(diào)節(jié)到同一個值，不需進行測量系統(tǒng)的電氣校正就能測定電容率。電系統(tǒng)中可包括保護電。

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)進行測量，這種測量與試樣厚度測量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時，試樣厚度和電系統(tǒng)的尺寸可以從計算公式中消去。

5.1.2.3邊緣效應(yīng)

此外，在一個合適的頻率和溫度下，邊緣電容可采用有保護環(huán)和無保護環(huán)的（比較）測量來獲得，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。因為此種電是多孔的，可透過濕氣，能使試樣的條件處理在涂上電后進行，對研究濕度的影響時特別有用。此種電的缺點是試樣涂上銀漆后不能馬上進行試驗，通常要求12h以上的氣干或低溫烘干時間，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。同時應(yīng)注意漆中的溶劑對試樣應(yīng)沒有持久的影響。

5.1.3.7石墨

5.1.4電的選擇

考慮下面兩點很重要：

b）若試樣上是加電的，由測量試樣厚度h時的相對誤差△h/h所引起的相對電容率的相對誤差△ε_r/ε_r可由下式得到：

式中：

ε_r——相對電容率；

Ah——試樣厚度的偏差。

 ……………………………（13）

△ε_r、ε_r、h同式（12）。

對于相對電容率為10以上的無孔材料，可采用沉積金屬電。對于這些材料，電應(yīng)覆蓋在試樣的整個表面上，并且不用保護電。對于相對電容率在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，選擇這些電時要注意適合材料的性能。若厚度的測量能達到足夠精度時，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，它的相對電容率已知或者能很準確地測出，則采用流體排出法是好的。

對管狀試樣而言，合適的電系統(tǒng)將取決于它的電容率、管壁厚度、直徑和所要求的測量精度。一般情況下，電系統(tǒng)應(yīng)為一個內(nèi)電和一個稍為窄一些的外電和外電兩端的保護電組成，外電和保護電之間的間隙應(yīng)比管壁厚度小。對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（測量電），兩端各有一條用作保護電。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，并且只對管的部分圓周進行試驗。這種試樣可按板狀試樣對待，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)采用一個彈性的可膨脹的夾具。

5.2液體絕緣材料

對于低介質(zhì)損耗因數(shù)的待測液體，電系統(tǒng)重要的特點是：容易清洗、再裝配（必要時）和灌注液體時不移動電的相對位置。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，端點和接線能適當(dāng)?shù)仄帘?；支撐電的絕緣支架應(yīng)不浸沉在液體中，還有，試驗池不應(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，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清洗試驗池，或用不含有不穩(wěn)定化合物的溶劑多次清洗?？梢酝ㄟ^化學(xué)試驗方法檢查其純度，或通過一個已知的低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體試樣測量的結(jié)果來確定。3試驗池試驗幾種類型的絕緣液體時，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清潔試驗池的表面。若使用一系列溶劑清洗時則要用沸點低于100°C的分析級的石油醚來再次清洗，或者用任一種對一個已知低電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的液體測量能給出正確值的溶劑來清洗，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行清洗。

待試驗池的各部件冷卻到室溫，再重新裝配起來。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)試驗中，上面所說的淸洗步驟可以代之為在每一次試驗后用沒有殘留紙屑的干紙簡單地擦擦試驗池。

5.2.3試驗池的校正

“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——校正液體的相對電容率。

來計算液體未知相對電容率ε_x。

C_g——校正電容；

C_c——電常數(shù)|

ε_x——液體的相對電容率。

采用上述方法測定液體電介質(zhì)的相對電容率時，可保證其測得結(jié)果有足夠的精度，因為它消除了由于寄生電容或電間隙數(shù)值的不準確測量所引起的誤差。

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

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

7、試驗步驟

試樣應(yīng)從固體材料上截取，為了滿足要求，應(yīng)按相關(guān)的標準方法的要求來制備。

7.2條件處理

7.3測量

在1MHz或更高頻率下，必須減小接線的電感對測量結(jié)果的影響。此時，可采用同軸接線系統(tǒng)（見圖1所示），當(dāng)用變電抗法測量時，應(yīng)提供一個固定微調(diào)電容器。

8.1相對電容率ε_r

 ……………………………（17）

ε_r——相對電容率；

C_e——邊緣電容;

C_o和C_e能從表1計算得來。

測微計電間或不接觸電間被測試樣的相對電容率可按表2、表3中相應(yīng)的公式計算得來。

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ按照所用的測量裝置給定的公式，根據(jù)測出的數(shù)值來計算。

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因素：即電容和介質(zhì)損耗因數(shù)的實測精度；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算精度（見表1）。

對于帶有保護電的試樣，其測量精度只考慮間法向真空電容時有計算誤差。但由被保護電和保護電之間的間隙太寬而引起的誤差通常大到百分之零點幾，而校正只能計算到其本身值的百分乏幾。如果試樣厚度的測量能到±0.005mm，則對平均厚度為1.6mm的試樣，其厚度測量誤差能達到百分之零點幾。圓形試樣的直徑能測定到±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量誤差為±0.5%。

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

試驗報告中應(yīng)給出下列相關(guān)內(nèi)容：

試樣條件處理的方法和處理時間；

測量儀器；

施加的電壓；

相對電容率ε_r（平均值）；

試驗日期；

表1  真空電容的計算和邊緣校正

（1）

（單位：皮法和厘米）

邊緣電容的校正

（3）

3.有保護環(huán)的圓柱形電

4.沒有保護環(huán)的圓柱形電

其中：ε₁ 是試樣相對電容率的近似值

其中：

In——自然對數(shù)；

表2 試樣電容的計算——接觸式測微計電

單位為毫米

1——內(nèi)電；

2——外電；

3——保護環(huán)；

圖2  液體測量的三電試驗池示例

注滿試驗池所需的液體量大約15mL

2——絕緣子；

圖3  測量液體的兩電試驗池示例

1——溫度計插孔；

3——石英玻璃；

5——溫度計插孔

<span "="" style="margin: 0px; padding: 0px; line-height: initial;">圖4  液體測量的平板兩電試驗池