介電常數及介質損耗檢測儀

介電常數及介質損耗檢測儀

1、范圍
本標準規定了在15Hz?300MHz的頻率范圍內測量電容率、介質損耗因數的方法，并由此計算某些數值，如損耗指數。本標準中所敘述的某些方法，也能用于其他頻率下測量。
本標準適用于測量液體、易熔材料以及固體材料。測試結果與某些物理條件有關，例如頻率、溫度、濕度，在特殊情況下也與電場強度有關。
有時在超過1000V的電壓下試驗，則會引起一些與電容率和介質損耗因數無關的效應，對此不予論述。 介電常數及介質損耗檢測儀
　
2、規范性引用文件
下列文件中的條款通過本標準的引用而成為本標準的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單（不包括勘誤的內容）或修訂版均不適用于本標準，然而，鼓勵根據本標準達成協議的各方研究是否可使用這些文件的新版本。凡是不注日期的引用文件，其新版本適用于本標準。
IEC60247:1978　液體絕緣材料相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量
　
3、術語和定義
下列術語和定義適用于本標準。
3.1
相對電容率relative permittivity
ε r
電容器的電極之間及電極周圍的空間全部充以絕緣材料時，其電容Cx與同樣電極構形的真空電容Co之比；
……………………………（1）
式中；
εr——相對電容率;
Cx——充有絕緣材料時電容器的電極電容；
Co——真空中電容器的電極電容。
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，用這種電極構形在空氣中的電容Cx來代替Co測量相對電容率εr時，也有足夠的確度。
在一個測量系統中，絕緣材料的電容率是在該系統中絕緣材料的相對電容率εr與真空電氣常數εr的乘積。
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εr，為：
……………………………（2）
在本標準中，用皮法和厘米來計算電容，真空電氣常數為:ε0=0.088 54 pF/cm
3.2
介質損耗角dielectric loss angle
δ
由絕緣材料作為介質的電容器上所施加的電壓與由此而產生的電流之間的相位差的余角。
3.3
介質損耗因數1） dielectric dissipation factor
tanδ
損耗角δ的正切。
3.4
[介質]損耗指數 [dielectric] loss index
εr
該材料的損耗因數tanδ與相對電容率εr的乘積。
3.5
復相對電容率 complex relative permittivity
εr
由相對電容率和損耗指數結合而得到的：

式中：
εr——復相對電容率；
εr——損耗指數；
εr、εr——相對電容率；
tanδ——介質損耗因數。
注：有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容Cs和電阻Rs的串聯電路表示，或用電容CP和電阻RP（或電導CP）并聯電路表示。
　　　　　　　　 并聯等值電路　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 串聯等值電路
　
式中：
Cs——串聯電容；
Rs——串聯電阻；
　
1）有些用“損耗角正切”來表示“介質損耗因數”，因為損耗的測量結果是用損耗角的正切來報告的。

CP——并聯電容；
RP——并聯電阻。
雖然以并聯電路表示一個具有介質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Cs和電阻Rs的串聯電路來表示。
串聯元件與并聯元件之間，成立下列關系：　

式（9）、（10）、（11）中：Cs、Rs、CP、RP、tanδ同式（7）、（8）。
無論串聯表示法還是并聯表示法，其介質損耗因數tanδ是相等的。
假如測量電路依據串聯元件來產生結果，且tanδ太大而在式（9）中不能被忽略，則在計算電容率前必須先計算并聯電容。
本標準中的計算和測量是根據電流（ω=πf）正弦波形作出的。
　
4、電氣絕緣材料的性能和用途
4.1電介質的用途
電介質一般被用在兩個不同的方面：
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；
用作電容器介質。
4.2影響介電性能的因素
下面分別討論頻率、溫度、濕度和電氣強度對介電性能的影響。
4.2.1頻率
因為只有少數材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很寬的頻率范圍內它們的εr和tanδ幾乎是恒定的，且被用作工程電介質材料，然而一般的電介質材料必須在所使用的頻率下測量其介質損耗因數和電容率。
電容率和介質損耗因數的變化是由于介質極化和電導而產生，重要的變化是極性分子引起的偶極子極化和材料的不均勻性導致的界面極化所引起的。
4.2.2溫度
損耗指數在一個頻率下可以出現一個值，這個頻率值與電介質材料的溫度有關。介質損耗因數和電容率的溫度系數可以是正的或負的，這取決于在測量溫度下的介質損耗指數值位置。
4.2.3濕度
極化的程度隨水分的吸收量或電介質材料表面水膜的形成而增加，其結果使電容率、介質損耗因數和直流電導率增大。因此試驗前和試驗時對環境濕度進行控制是*的。
注：濕度的顯著影響常常發生在1MHz以下及微波頻率范圍內。
4.2.4電場強度
存在界面極化時，自由離子的數目隨電場強度增大而增加，其損耗指數值的大小和位置也隨此而變。
在較高的頻率下，只要電介質中不出現局部放電，電容率和介質損耗因數與電場強度無關。
　
5、試樣和電極
5.1固體絕緣材料
5.1.1試樣的幾何形狀
測定材料的電容率和介質損耗因數，好采用板狀試樣，也可采用管狀試樣。
在測定電容率需要較高精度時，的誤差來自試樣尺寸的誤差，尤其是試樣厚度的誤差，因此厚度應足夠大，以滿足測量所需要的確度。厚度的選取決定于試樣的制備方法和各點間厚度的變化。對1％的確度來講，1.5mm的厚度就足夠了，但是對于更高確度，好是采用較厚的試樣，例如6mm?12mm。測量厚度必須使測量點有規則地分布在整個試樣表面上，且厚度均勻度在±1％內。如果材料的密度是已知的，則可用稱量法測定厚度。選取試樣的面積時應能提供滿足精度要求的試樣電容。測量10pF的電容時，使用有良好屏蔽保護的儀器。由于現有儀器的極限分辨能力約1pF，因此試樣應薄些，直徑為10cm或更大些。
需要測低損耗因數值時，很重要的一點是導線串聯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，與試樣并聯的電容不應大于約5pF，
5.1.2電極系統
5.1.2.1加到試樣上的電極
電極可選用5.1.3中任意一種。如果不用保護環，而且試樣上下的兩個電極難以對齊時，其中一個電極應比另一個電大些。已經加有電極的試樣應放置在兩個金屬電極之間，這兩個金屬電極要比試樣上的電極稍小些。對于平板形和圓柱形這兩種不同電極結構的電容計算公式以及邊緣電容近似計算的經驗公式由表1給出。
對于介質損耗因數的測量，這種類型的電極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所示的電極系統也要求試樣厚度均勻。.
5.1.2.2試樣上不加電極
表面電導率很低的試樣可以不加電極而將試樣插入電極系統中測量，在這個電極系統中，試樣的一側或兩側有一個充滿空氣或液體的間隙。
平板電極或圓柱形電極結構的電容計算公式由表3給出。
下面兩種型式的電極裝置特別合適.
5.1.2.2.1空氣填充測微計電極
當試樣插入和不插人時，電容都能調節到同一個值，不需進行測量系統的電氣校正就能測定電容率。電極系統中可包括保護電極。
5.1.2.2.2流體排出法
在電容率近似等于試樣的電容率，而介質損耗因數可以忽略的一種液體內進行測量，這種測量與試樣厚度測量的精度關系不大。當相繼采用兩種流體時，試樣厚度和電極系統的尺寸可以從計算公式中消去。
試樣為與試驗池電極直徑相同的圓片，或對測微計電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應忽略不計。在測微計電極中，為了忽略邊緣效應，試樣直徑約比測微計電極直徑小兩倍的試樣厚度。
5.1.2.3邊緣效應
為了避免邊緣效應引起電容率的測量誤差，電極系統可加上保護電極。保護電極的寬度應至少為兩倍的試樣厚度，保護電極和主電極之間的間隙應比試樣厚度小。假如不能用保護環，通常需對邊緣電容進行修正，表1給出了近似計算公式。這些公式是經驗公式，只適用于規定的幾種特定的試樣形狀。
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和無保護環的（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構成電極的材料
5.1.3.1金屬箔電極
用極少量的硅脂或其他合適的低損耗粘合劑將金屬箔貼在試樣上。金屬箔可以是純錫或鉛，也可以是這些金屬的合金，其厚度為100μm，也可使用厚度小于10μm的鋁箔。但是，鋁箔在較高溫度下易形成一層電絕緣的氧化膜，這層氧化膜會影響測量結果，此時可使用金箔。
5.1.3.2燒熔金屬電極
燒熔金屬電極適用于玻璃、云母和陶瓷等材料，銀是普遍使用的，但是在高溫或高濕下，好采用金。
5.1.3.3噴鍍金屬電極
鋅或銅電極可以噴鍍在試樣上，它們能直接在粗糙的表面上成膜。這種電極還能噴在布上，因為它們不穿透非常小的孔眼。
5.1.3.4陰極蒸發或高真空蒸發金屬電極
假如處理結果既不改變也不破壞絕緣材料的性能，而且材料承受高真空時也不過度逸出氣體，則本方法是可以采用的。這一類電極的邊緣應界限分明。
5.1.3.5汞電極和其他液體金屬電極
把試樣夾在兩塊互相配合好的凹模之間，凹模中充有液體金屬，該液體金屬必須是純凈的。汞電極不能用于高溫，即使在室溫下用時，也應采取措施，這是因為它的蒸氣是有毒的。
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的房間或在抽風柜中才能用于100℃以上，且操作人員應知道可能產生的健康危害。
5.1.3.6導電漆
無論是氣干或低溫烘干的高電導率的銀漆都可用作電極材料。因為此種電極是多孔的，可透過濕氣，能使試樣的條件處理在涂上電極后進行，對研究濕度的影響時特別有用。此種電極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損耗因數增加。同時應注意漆中的溶劑對試樣應沒有持久的影響。
要使用刷漆法做到邊緣界限分明的電極較困難，但使用壓板或壓敏材料遮框噴漆可克服此局限。但在*的頻率下，因銀漆電極的電導率會非常低，此時則不能使用。
5.1.3.7石墨
一般不推薦使用石墨，但是有時候也可采用，特別是在較低的頻率下。石墨的電阻會引起損耗的顯著增大，若采用石墨懸浮液制成電極，則石墨還會穿透試樣。