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GB1409介电常数测试仪标准
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GB1409介电常数测试仪标准

 

介电常数测试仪测量电气绝缘材料在工频、音频、高频( )下电容率和介质损耗因数的推荐方法本标 定了在15H z-300M Hz的频率范围内测量电容率、介质损耗因数的方法,并由此计算某些数值,如损耗指数。本标准中所叙述的某些方法,也能用于其他频率下测量

适用于测量液体、易熔材料以及固体材料。测试结果与某些物理条件有关,例如频率、温度、湿度,在特殊情况下也与电场强度有关
时在 10 00V 的电压下试验,则会引起一些与电容率和介质损耗因数无关的效应,对此不予论述


2 规范性引用文件
件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,其随后所有
的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的版本。凡是不注日期的引用文件,其版本适用于本标准。
IEC 6 02 47:1978 液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量


3 术语和定义
下列 和定义适用于本标准。
3. 1
相对 relativep ermittivity

的电极之间及电极周围的空间全部充以绝缘材料时,其电容 Cx与同样电极构形的真空电
C 之比:


:
E,—
对电容率;
CX —
充有绝缘材料时电容器的电极电容;
C —
空中电容器的电极电容。
在标 气压下,不含二氧化碳的于燥空气的相对电容率。「等于1.00 0.7 3。因此,用这种电极构
形在空气中的电容C。来代替C‑测量相对电容率。r时,也有足够的度。
测量系统中,绝缘材料的电容率是在该系统中绝缘材料的相对电容率。r与真空电气常数Eo的乘积


S 1 中,电容率用法/(F/m )表示。而且。在SI单位中,电气常数。、为=8. 854 X 10 12 F/m c 1 s6a10 Fm ’“ ““‘。。· (2)
在本标准中,用皮法和厘米来计算电容,真空电气常数为:E0= 0. 088 54 pF/cm

定义

介质损耗角dielectric loss angle
由绝缘材料作为介质的电容器上所施加的电压与由此而产生的电流之间的相位差的余角。

介质损耗因数,,dielectric dissipation factor

tan8损耗角a的正切。

〔介质〕损耗指数
E,该材料的损耗因数
tan8与相对电容率:r的乘积

复相对电容率complex relative permittivi

 

:
E,
一复相对电容率;
损耗指数;
r
一相对电容率;
tan8
一介质损耗因数。
:有损耗的电容器在任何给定的频率下能用电容C和电阻R,的串联电路表示,或用电容C,和电阻R,(或电导G, ) 路表示

CP— 并联电容;

R,— 并联电阻。
虽然以并联电路表示一个具有介质损耗的绝缘材料通常是合适的,但在单一频率下有时也需要以电容C,
和电阻R,的串联电路来表示。
串联元件与并联元件之间,成立下列关系:

(9), (10), (I)C‑R‑C,,R,,tan6同式(7),(8)0
无论串联表示法还是并联表示法,其介质损耗因数tans是相等的.
假如测量电路依据串联元件来产生结果,且tan'8 太大而在式(9)中不能被忽略,则在计算电容率前必须先
计算并联电容
本标准中的计算和侧量是根据电流(=2/)正弦波形作出的
4 电气绝缘材料的性能和用途
4. 1 电介质的用途
电介 般被用在两个不同的方面:
用作 电气 回路元件的支撑,并且使元件对地绝缘及元件之间相互绝缘;
容器介质。
4.2 影响介电性能的因素
面分 讨论频率、温度、湿度和电气强度对介电性能的影响。
4.2. 1 频率
因为 少数材料如石英玻璃、聚苯乙烯或聚乙烯在很宽的频率范围内它们的。rtans几乎是恒定的,且被用作工程电介质材料,然而一般的电介质材料必须在所使用的频率下测量其介质损耗因数和
电容率。
容率 和介质损耗因数的变化是由于介质极化和电导而产生,醉重要的变化是极性分子引起的偶
极子极化和材料的不均匀性导致的界面极化所引起的。
4.2.2 温度
数在一个频率下可以出现一个醉大值,这个频率值与电介质材料的温度有关。介质损耗因
数和电容率的温度系数可以是正的或负的,这取决于在测量温度下的介质损耗指数醉大值位置。
4.2. 3 湿度
程度随水分的吸收量或电介质材料表面水膜的形成而增加,其结果使电容率、介质损耗因数
和直流电导率增大。因此试验前和试验时对环境湿度进行控制是必不可少的
:湿 的显著影响常常发生在1MHz以下及微波频率范围内
4.2.4 电场强度
面极化时,自由离子的数目随电场强度增大而增加,其损耗指数醉大值的大小和位置也随此
而变。
在较 的频率下,只要电介质中不出现局部放电,电容率和介质损耗因数与电场强度无关
5 试样和电极
5.1 固体绝缘材料
5.1.1 试样的几何形状
测定 的电容率和介质损耗因数,采用板状试样,也可采用管状试样

 

在测 电容率需要较高精度时,误差来自试样尺寸的误差,尤其是试样厚度的误差,因此厚
度应足够大,以满足测量所需要的度。厚度的选取决定于试样的制备方法和各点间厚度的变化。
1%的度来讲,1.5 mm的厚度就足够了,但是对于更高度,采用较厚的试样,例如
6 mm-12 mm 测量厚度必须使测量点有规则地分布在整个试样表面上,且厚度均匀度在士1%内。
如果材料的密度是已知的,则可用称量法测定厚度选取试样的面积时应能提供满足精度要求的试样
电容。测量10 pF的电容时,使用有良好屏蔽保护的仪器。由于现有仪器的极限分辨能力约1 pF,因此
试样应薄些,直径为10 cm或更大些
需要 损耗因数值时,很重要的一点是导线串联电阻引人的损耗要尽可能地小,即被测电容和该
电阻的乘积要尽可能小同样,被测电容对总电容的比值要尽可能地大点表示导线电阻要尽可
能低及试样电容要小。第二点表示接有试样桥臂的总电容要尽可能小,且试样电容要大。因此试样电
容取值为20 pF,在测量回路中,与试样并联的电容不应大于约5 pF,
5. 1.2
电极系统
5. 1.2. 1 加到试样上的电极
电极 5.1.3中任意一种。如果不用保护环。而且试样上下的两个电极难以对齐时,其中一个
电极应比另一个电极大些。已经加有电极的试样应放置在两个金属电极之间,这两个金属电极要比试
样上的电极稍小些。对于平板形和圆柱形这两种不同电极结构的电容计算公式以及边缘电容近似计算
的经验公式由表飞给出。
对于 损耗因数的测量,这种类型的电极在高频下不能满足要求,除非试样的表面和金属板都非
常平整。图〕所示的电极系统也要求试样厚度均匀
5.1.2.2 试样上不加电极
电导 率很低的试样可以不加电极而将试样插人电极系统中测量,在这个电极系统中,试样的一
侧或两侧有一个充满空气或液体的间隙。
电极 或圆柱形电极结构的电容计算公式由表3给出。
种型式的电极装置特别合适
5. 1.2.2. 1 空气填充测微计电极
当试 人和不插人时,电容都能调节到同一个值,不需进行测量系统的电气校正就能测定电容
率。电极系统中可包括保护电极
5. 1.2.2.2 流体排出法
电容 近似等于试样的电容率,而介质损耗因数可以忽略的一种液体内进行测量,这种测量与试样厚度测量的精度关系不大。当相继采用两种流体时,试样厚度和电极系统的尺寸可以从计算公式中
消去
试样 试验池电极直径相同的圆片,或对测微计电极来说,试样可以比电极小到足以使边缘效应
忽略不计在测微计电极中,为了忽略边缘效应,试样直径约比测微计电极直径小两倍的试样厚度。
5. 1.2.3 边缘效应
了避 边缘效应引起电容率的测量误差,电极系统可加上保护电极。保护电极的宽度应至少为
两倍的试样厚度,保护电极和主电极之间的间隙应比试样厚度小。假如不能用保护环,通常需对边缘电
容进行修正,表工给出了近似计算公式这些公式是经验公式,只适用于规定的几种特定的试样形状
此外 ,在 一个合适的频率和温度下,边缘电容可采用有保护环和无保护环的(比较)测量来获得,用
所得到的边缘电容修正其他频率和温度下的电容也可满足精度要求
5. 1.3 构成电极的材料
5. 1.3. 1 金属箔电极
用极 的硅脂或其他合适的低损耗粘合剂将金属箔贴在试样上。金属箔可以是纯锡或铅,也可
以是这些金属的合金,其厚度为100 pm,也可使用厚度小于10 I'm的铝箔。但是,铝箔在较高温度下易形成一层电绝缘的氧化膜,这层氧化膜会影响测量结果,此时可使用金箔。
5. 1.3.2 烧熔金属电极
属电极适用于玻璃、云母和陶瓷等材料,银是普遍使用的,但是在高温或高湿下,采用 喷镀金属电极
电极可以喷镀在试样上,它们能直接在粗糙的表面上成膜。这种电极还能喷在布上,因为它
们不穿透非常小的孔眼。
5. 1.3.4 阴极蒸发或高真空蒸发金属电极
假如 结果既不改变也不破坏绝缘材料的性能,而且材料承受高真空时也不过度逸出气体,则本
方法是可以采用的。这一类电极的边缘应界限分明。
5.1.3.5 汞电极和其他液体金属电极
把试 在两块互相配合好的凹模之间,凹模中充有液体金属,该液体金属必须是纯净的。汞电极
不能用于高温,即使在室温下用时,也应采取措施,这是因为它的蒸气是有毒的
伍德 和其他低熔点合金能代替汞。但是这些合金通常含有锡,锡象汞一样,也是毒性元素。这些
合金只有在良好抽风的房间或在抽风柜中才能用于100以上,且操作人员应知道可能产生的健康危害
5.1.3.6 导电漆
无论 气干或低温烘干的高电导率的银漆都可用作电极材料。因为此种电极是多孔的,可透过湿
气,能使试样的条件处理在涂上电极后进行,对研究湿度的影响时特别有用。此种电极的缺点是试样涂
上银漆后不能马上进行试验,通常要求12 h以上的气干或低温烘干时间,以便去除所有的微量溶剂,否
则,溶剂可使电容率和介质损耗因数增加。同时应注意漆中的溶剂对试样应没有持久的影响。
要使 漆法做到边缘界限分明的电极较困难,但使用压板或压敏材料遮框喷漆可克服此局限。
但在极高的频率下,因银漆电极的电导率会非常低,此时则不能使用。
5.1.3.7 石墨
一般 荐使用石墨,但是有时候也可采用,特别是在较低的频率下。石墨的电阻会引起损耗的显
著增大,若采用石墨悬浮液制成电极,则石墨还会穿透试样。
5.1.4 电极的选择
5.1.4.1 板状试样
面两点很重要:
a)
电极,测量时快而方便,并可避免由于试样和电极间的不良接触而引起的误差。
b) 样上是加电极的,由测量试样厚度h时的相对误差h1h所引起的相对电容率的相对误差 r/: r 得到

 

Ef— 样浸人所用流体的相对电容率,对于在空气中的测量则。r等于to

相对 电容率为10以上的无孔材料,可采用沉积金属电极。对于这些材料,电极应覆盖在试样
的整个表面上,并且不用保护电极。对于相对电容率在3-10之间的材料,能给出高精度的电极是金
属箔、汞或沉积金属,选择这些电极时要注意适合材料的性能。若厚度的测量能达到足够精度时,试样
上不加电极的方法方便而更可取。假如有一种合适的流体,它的相对电容率已知或者能很准确地测出,
则采用流体排出法是好的。
5. 1.4.2 管状试样
试样而言,合适的电极系统将取决于它的电容率、管壁厚度、直径和所要求的测量精度。
一般情况下,电极系统应为一个内电极和一个稍为窄一些的外电极和外电极两端的保护电极组成,外电
极和保护电极之间的间隙应比管壁厚度小对小直径和中等直径的管状试样,外表面可加三条箔带或
沉积金属带,中间一条用作为外电极(测量电极),两端各有一条用作保护电极。内电极可用汞,沉积金
属膜或配合较好的金属芯轴。
电容 的管状试样,其内电极和外电极可以伸展到管状试样的全部长度上,可以不用保护电极
大直 管状或圆筒形试样,其电极系统可以是圆形或矩形的搭接,并且只对管的部分圆周进行试
验。这种试样可按板状试样对待,金属箔、沉积金属膜或配合较好的金属芯轴内电极与金属箔或沉积金
属膜的外电极和保护电极一起使用。如采用金属箔做内电极,为了保证电极和试样之间的良好接触,需
在管内采用一个弹性的可膨胀的夹具。
非常 准确的测量,在厚度的测量能达到足够的精度时,可采用试样上不加电极的系统。对于相
对电容率。r不超过10的管状试样,方便的电极是用金属箔、汞或沉积金属膜。相对电容率在10
上的管状试样,应采用沉积金属膜电极;瓷管上可采用烧熔金属电极。电极可像带材一样包覆在管状试
样的全部圆周或部分圆周上。
5.2 液体绝缘材料
5.2. 1 试验池的设计
于低 质损耗因数的待测液体,电极系统重要的特点是:容易清洗、再装配(必要时)和灌注液
体时不移动电极的相对位置。此外还应注意:液体需要量少,电极材料不影响液体,液体也不影响电极
材料,温度易于控制,端点和接线能适当地屏蔽;支撑电极的绝缘支架应不浸沉在液体中,还有,试验池
不应含有太短的爬电距离和尖锐的边缘,否则能影响测量精度
满足 要求的试验池见图2一图4 电极是不锈钢的,用硼硅酸盐玻璃或石英玻璃作绝缘。图2
和图3所示的试验池也可用作电阻率的测定,IEC 60247;1978对此已详细叙述
由于 液体如氯化物,其介质损耗因数与电极材料有明显的关系,不锈钢电极不总是合适的
有时,用铝和杜拉铝制成的电极能得到比较稳定的结果。试验池的准备
种或几种合适的溶剂来清洗试验池,或用不含有不稳定化合物的溶剂多次清洗。可以通过
化学试验方法检查其纯度,或通过一个已知的低电容率和介质损耗因数的液体试样测量的结果来确定
当试验池试验几种类型的绝缘液体时,若单独使用溶剂不能去除污物,可用一种柔和的擦净剂和水来清
洁试验池的表面若使用一系列溶剂清洗时则后要用沸点低于100的分析级的石油醚来再次
清洗,或者用任一种对一个已知低电容率和介质损耗因数的液体测量能给出正确值的溶剂来清洗,并且
这种溶剂在化学性质上与被试液体应是相似的。推荐使用下述方法进行清洗。
应全部拆开,彻底地清洗各部件,用溶剂回流的方法或放在未使用溶剂中搅动反复洗涤方法
均可去除各部件上的溶剂并放在清洁的烘箱中,在110左右的温度下烘十30 min
待试 的各部件冷却到室温,再重新装配起来。池内应注人一些待试的液体,停几分钟后,倒出
此液体再重新倒人待试液体,此时绝缘支架不应被液体弄湿。
上述 步骤中,各部件可用干净的钩针或钳子巧妙地处理,以使试验池有效的内表面不与手接触注 1: 同种质量油的常规试验中,上面所说的清洗步骤可以代之为在每一次试验后用没有残留纸屑的千纸简单地

2: 用溶剂时,有些溶剂特别是苯、四抓化碳、甲苯、二甲苯是有毒的,所以要注意防火及毒性对人体的影响,此
,抓 用会分解。
5.2.3 试验池的校正
当需 精度测定液体电介质的相对电容率时,应首先用一种已知相对电容率的校正液体(如苯)
来测定电极常数
”C。的确定按式(14):

 

来计算液体未知相对电容率EX o

:
= Co
C
_CX
Cg
C

Cg— 正电容;
Co—
气中电极装置的电容;
C—
极常数;
CX —
极装置充有被试液体时的电容;
Ex—
体的相对电容率。

假如 Co IC 。和Cx值是在:。是已知的某一相同温度下测定的,则可求得精度的。x值。

 


采用 方法测定液体电介质的相对电容率时,可保证其测得结果有足够的精度,因为它消除了由于寄生电容或电极间隙数值的不准确测量所引起的误差。
6 f方法的选择
测量 率和介质损耗因数的方法可分成两种:零点指示法和谐振法。
6.1 零点指示法适用于频率不超过50 MHz时的测量。测量电容率和介质损耗因数可用替代法;也就
是在接人试样和不接试样两种状态下,调节回路的一个臂使电桥平衡。通常回路采用西林电桥、变压器
电桥(也就是互感藕合比例臂电桥)和并联T型网络。变压器电桥的优点:采用保护电极不需任何外加
附件或过多操作,就可采用保护电极;它没有其他网络的缺点。
6.2 谐振法适用于10 kHz一几百MHz的频率范围内的测量。该方法为替代法测量,常用的是变电抗
法。但该方法不适合采用保护电极。

7 试验步骤
7. 1 试样的制备
试样 固体材料上截取,为了满足要求,应按相关的标准方法的要求来制备。
GB/T 1409-2006
应精 测量厚度,使偏差在士(0.2 %士。.005m m)以内,测量点应均匀地分布在试样表面。必要
时,应测其有效面积。
7.2 条件处理
理应按相关规范规定进行。
7.3 f
电气 按本标准或所使用的仪器(电桥)制造商推荐的标准及相应的方法进行。
1 M H z或更高频率下,必须减小接线的电感对测量结果的影响。此时,可采用同轴接线系统(
1所示),当用变电抗法测量时,应提供一个固定微调电容器。
8 结果
8.1 相对电容率E,
试样 保护电极时其相对电容率。r可按公式(1)计算,没有保护电极时试样的被测电容,Cl 包括
了一个微小的边缘电容Ce,其相对电容率为:

:
E,—
对电容率;
,Cl —
有保护电极时试样的电容;
C,—
缘电容;
Co —
法向极间电容;
Co
C 。能从表1计算得来。
必要 对试样的对地电容、开关触头之间的电容及等值串联和并联电容之间的差值进行校正。
测微 极间或不接触电极间被测试样的相对电容率可按表2、表3中相应的公式计算得来。
8.2 介质损耗因数tan8
介质 因数tans按照所用的测量装置给定的公式,根据测出的数值来计算。
8.3 精度要求
在第 5 和附录A中所规定的精度是:电容率精度为士1%,介质损耗因数的精度为士(5%
0.000 5)。这些精度至少取决于三个因素:即电容和介质损耗因数的实测精度;所用电极装置引起的这
些量的校正精度;极间法向真空电容的计算精度(见表1).
在较 率下,电容的测量精度能达士(0.1 %士。02p F),介质损耗因数的测量精度能达士(2%
0.0000 5)。在较高频率下,其误差增大,电容的测量精度为士(0.5 %0.1 p F),介质损耗因数的测量
精度为士(2%土。.000 2).
有保护电极的试样,其测量精度只考虑极间法向真空电容时有计算误差。但由被保护电极
和保护电极之间的间隙太宽而引起的误差通常大到百分之零点几,而校正只能计算到其本身值的百分
之几。如果试样厚度的测量能到士。.005 mm,则对平均厚度为1. 6 mm的试样,其厚度测量误差
能达到百分之零点几。圆形试样的直径能测定到士0. 1%的精度,但它是以平方的形式引人误差的,综
合这些因素,极间法向真空电容的测量误差为10.5%e
表面 有电极的试样的电容,若采用测微计电极测量时,只要试样直径比测微计电极足够小,则
只需要进行极间法向电容的修正。采用其他的一些方法来测量两电极试样时,边缘电容和对地电容的
计算将带来一些误差,因为它们的误差都可达到试样电容的2%-40%。根据目前有关这些电容资料,
计算边缘电容的误差为10%,计算对地电容的误差为25 。因此带来总的误差是百分之几十到百分之
几。当电极不接地时,对地电容误差可大大减小。
采用 计电极时,数量级是。.03的介质损耗因数可测到真值的士0.0003 ,数量级0.0002 的介质损耗因数可测到真值的士。.000 05。介质损耗因数的范围通常是。.000 1-0. 1,但也可扩展到。.1
以上。频率在10 MH:20 MHz之间时,有可能检测出。.00002的介质损耗因数。1-5的相对电容
率可测到其真值的士20o,该精度不仅受到计算极间法向真空电容测量精度的限制,也受到测微计电极
系统误差的限制。
9 试验报告
试验 告中应给出下列相关内容:
绝缘 料的型号名称及种类、供货形式、取样方法、试样的形状及尺寸和取样日期(并注明试样厚度
和试样在与电极接触的表面进行处理的情况);
试样 处理的方法和处理时间;
电极 置类型,若有加在试样上的电极应注明其类型;
测量 ;
的温度和相对湿度以及试样的温度;
电压;
施加 ;
相对 电容 率。r(平均值);
介质 因数tans(平均值);
;
相对 率和介质损耗因数值以及由它们计算得到的值如损耗指数和损耗角,必要时,应给出与温
度和频率的关系。

A. 1 西林电桥

A.1.1 概述
西林 电桥 是测量电容率和介质损耗因数的经典的装置。它可使用从低于工频(50H z-60H z)
直至100 kHz的频率范围,通常测定50 pF-1 000 pF的电容(试样或被试设备通常所具有的电容)
这是 四臂回路(A.1) 。其中两个臂主要是电容(未知电容Cx和一个无损耗电容C,)。另外
两臂(通常称之为测量臂)由无感电阻R,和R:组成,电阻R,在未知电容Cx的对边上,测量臂至少被
一个电容C,分流一般地说,电容C:和两个电阻R,R:中的一个是可调的
如果 电阻R、和()电容 C 的串联等值回路来表示电容 Cx,则图A.1 所示的电桥平衡时
导出:

由于 范围的不同,实际上电桥构造会有明显的不同。例如一个50p F-10 00p F的电容在
50 Hz时的阻抗为60 Md2-3 Md2,在100 kHz时的阻抗为3 000 Q-1 500 S1
频率 100k Hz时,桥的四个臂容易有相同数量级的阻抗,而在50H z-60H z的频率范围内则是不可能的。因此,出现了低频和(相对)高频两种不同形式的电桥。
A. 1. 2 低频电桥
一般 压电桥,这不仅是由于灵敏度的缘故,也因为在低频下正是高电压技术特别对电介质损耗
关注的问题。电容臂和测量臂两者的阻抗大小在数量级上相差很多,结果,绝大部分电压都施加在电容CxC}上,使电压分配不平衡上面给出的电桥平衡条件只是当低压元件对高压元件屏蔽时才成
立。同时,屏蔽必须接地,以保证平衡稳定。如图A. 2所示。屏蔽与使用被保护的电容C、和C、是一
致的,这个保护对于Ch来说是必不可少的。
由于 不同的接地方法,实际上形成了两类电桥。
A.1.2.1 带屏蔽的简单西林电桥
B (在测量臂边的电源接线端子)与屏蔽相连并接地。
能很 好地起到防护高压边影响的作用,但是增加了屏蔽与接到测量臂接线端 MN的各根
导线之间电容.此电容承受跨接测量臂两端的电压这样会引人一个通常使tans的测量精度限于
0.1%数量级的误差,当电容cxCw不平衡时尤为显著。
A.1. 2. 2 带瓦格纳(Wagner)接地电路的西林电桥
A. 2 示出了使电桥测量臂接线端与屏蔽电位相等的方法。这种方法是通过使用外接辅助桥臂
Z, .Z.(瓦格纳接地电路),并使这两个辅助桥臂的中间点P接到屏蔽并接地。调节辅助桥臂(实际为
Zu)以使在Z,Z‑上的电压分别与电桥的电容臂和测量臂两端的电压相等显然,这个解决方法包
括两个桥即主桥AMNB和辅桥AMPB(ANPB)同时平衡。通过检测器从一个桥转换到另一个桥逐
次地逼近平衡而终达到二者平衡用这种方法精度可以提高一个数量级,这时,实际上该精度只决定
于电桥元件的精密度。

出,只有当电源的两端可以对地绝缘时才使用上述特殊的解决方法。如果不可能对地绝缘,
则必须使用更复杂的装置(双屏蔽电桥)
A.1.3
高频西林电桥
这种 通常在中等的电压下工作,是比较灵活方便的一种电桥;通常电容CN是可变的(在高压
电桥中电容C、通常是固定的),比较容易采用替代法。
由于 望电容的影响随频率的增加而增加,因此仍可有效使用屏蔽和瓦格纳接地线路
A.1 .4 关于检测器的说明
当西 电桥的 B点接地时,必须避免检测器的不对称输人(这在电子设备中是常有的)
而这 的检测器只要接地输人端总是连接于P点,就能与装有瓦格纳接地线路的电桥一起
使用
A.2 变压器电桥(电感比例臂电桥)
A. 2. 1
概述
桥的原理比西林电桥简单。其结构原理见图A.3 .
电桥 衡时,复电抗Z、和ZM之间的比值等于电压矢量U U:间的比值。如果电压矢量的比
值是已知的,便可从已知的Zx,推导出Zx。在理想电桥中比例U,/U :是一个系数 K,这样 ZK- K ZH
实际上ZM的幅角直接给出ax
变压 桥比西林电桥有很大的优点,它允许将屏蔽和保护电极直接接地且不需要附加的辅助
桥臂。
电桥 可在从工频到数十MHz的频率范围内使用。比西林电桥使用的频率范围宽。由于频率
范围的不同,桥的具体结构也不相同
A.2.2 低频电桥
常是 个高压电桥(更精密,电压U,是高压,U:是中压),这种电桥的技术与变压器的技术有关。
两类电源:
l
电源 电压直接加到一个绕组上,另一个绕组则起变压器次级绕组的作用。
2) 电源加到初级绕组上(见图A.3) ,而电桥的两个绕组是由两个分开的次级线路组成或是由
一个 能使获得电压U,U 的次级绕组组成
与所 测量变压器一样,电桥存在误差(矢量比U,/U :与其理论值之间的差) 这种误差随负载
而变化尤其是U U2之间的相位差,它会直接影响tans的测量值。
因此 ,必 须对电桥进行校正,这可以用一个无损耗电容CN(与在西林电桥中使用的相似)代替Z、进
行。如果C、与Cx的值相同.这实际上是替代法,测试前应校正。但由于C、很少是可调的,因此负载
的变化对Cx不再有效。电桥在恒定负载下工作是可能的,如图A.4所示:当测量CN时,用一个转换开
关把CX接地,反之亦然。这时对于高压绕组来说两个负载的总和是恒定的。(严格地说,低压边也应
该用一个相似的装置,但由于连在低压边的负载很小,尽管采用这样处理很容易,但意义小。)
另外 ,若 用并联在电压IJ上的一个纯电容C、校正时,承受电压U2的测量阻抗ZM组成如下:
)
U:U,是同相的(理想情况),则用一个纯电容CM组成。
2) U:超前U,,则用一个电容C‑和一个电阻R‑组成
3) Ue滞后于U,,则电阻Ret,应变成负的 这就是说,为了重新建立平衡必须在U,一边并
电流分量。其实并不存在适用于高压的可调高电阻,因此通常阻性电流分量
是用 来获得的,这个辅助绕组提供一个与U,同相的低电压U3(A.5 )
: 在蛛 匕串接 一个电阻 因为如果将电阻接在电容器后面会破坏 C,测量极和保护极间的等电位;如果将
阻接 C 的高压导线上,则电阻()电流也将包括保护电路的电流,这就可能无法校正
这些 第二 种情况的电阻R} 但在低压边容易将三个电阻R‑R:和侧以星形联接来得到一个与电容并联的可调高值电阻。如图八.5下面的虚线所示。这时有

http://img50.chem17.com/9/20190111/636827993230042723574.png

,可 C必须是纯电容性的或已知其损耗低(在西林电桥中的测量电容C:不需满足这些苛刻要 )
A.2.3 高频电桥
上面 些叙述也同样适用于高频电桥。但由于它不再是一个高压电桥,因此承受电压U,的臂
能容易地引人可调元件;替代法在此适用
还应 出,带有分开的初级绕组的电桥允许电源和检测器互换位置。其平衡与在次级绕组中对应
的安匝数的补偿相符
A.2.4 关于检测器的说明
由于 臂的一端接地的,因此不必要使用对称输人的检测器
A.3 并联T型网络
T型网络桥路中,从振荡器经过两个 T形网络流向检测器的两股电流在检测器输人处是大
小相等而方向相反的。在这个电路中,振荡器和检测器都能有一端接地;且在有些可能电路中试样和用
于平衡的每一个可变元件也有一端接地。
A. 6 出示了只使用电阻和电容简单的并联T型网络。测量电介质材料常用的电路的原
理如图A.7所示。这种电路的平衡条件如下(在开路的X,X端子之间)

实际上是将一个可变电容器接到X,X端,且其电容Cv和它的电导改变了LRF的表观值,使电
路达到平衡;然后再将试样接到X,X端,通过调节电容CvC*恢复电桥平衡。
:
试样电容等于Cv的减少量Acv;
试样的电导G:

:

'
50 k Hz50M Hz的频率范围内能方便地设计这种网络,这种网络也容易有效地屏蔽。但其缺
点是平衡随频率的变化太灵敏,以致于电源频率的谐波很不平衡。为了能拓宽频率范围,必须改变或换
接电桥元件,在较高频率下接线和开关阻抗(若使用开关时)会引人很大的误差。
A. 4 谐振法(Q表法)
谐振 Q表法是在10k Hz260M Hz的频率范围内使用。它的原理是基于在一个谐振电路
中感应一个已知的弱小电压时,测量在该电路出现的电压。图A. 8表示这种电路的常用形式,在线路
中通过一个共用电阻R将谐振电路藕合到振荡器上,也可用其他的祸合方法。
操作 是在规定的频率下将输人电压或电流调节到一个已知值,然后调节谐振电路达到大谐振,观察此时的电压Uo 然后将试样接到相应的接线端上,再调节可变电容器使电路重新谐振,观察新
的电压U 的值。
在接 样并重新调节线路时,只要R,G <Q 见图A.8 ) 总电容几乎保持不变。试样电容近似于
AC,即是可变电容器电容的变化量
试样 的损 耗因数近似为:

式中:
C—
电路中的总电容,包括电压表以及电感线圈本身的电容;
Q,.Q o—
分别为有无试样联接时的 Q值。
测量误差主要来自两台指示器的标定刻度以及在连线中尤其是在可变电容器和试样的连线中所引
人的阻抗。对于高的损耗因数值,R,G < 1的条件可能不成立,此时上面引出的近似公式不成立。
A.5 变电纳法(变电抗法)
1 的测微计电极系统是哈特逊(Haztsh。二)改进的,被用于消除在高频下因接线和测量电容
器的串联电感和串联电阻对测量值产生的误差。在这样的系统中,是由于在测微电极中使用了一个与
试样连接的同轴回路,不管试样在不在电路中,电路中的电感和电阻总是相对地保持恒定。夹在两电极
之间的试样,其尺寸与电极尺寸相同或小于电极尺寸。除非试样表面和电极表面磨得很平整,否则在试
样放到电极系统里之前,必须在试样上贴一片金属箔或类似的电极材料。在试样抽出后,调节测微计电
极,使电极系统得到同样的电容。
电容 化仔细校正测微计电极系统后,使用时则不需要校正边缘电容、对地电容和接线电容。其
缺点是电容校正没有常规的可变多层平板电容器那么精密且同样不能直接读数。
在低 1MHz的频率下,可忽略接线的串联电感和电阻的影响,测微计电极的电容校正可用与测
微计电极系统并联的一个标准电容器的电容来校正
未接试样时电容的变化量是通过这个电容器来测得。
在测 电极中,次要的误差来源于电容校正时所包含的电极的边缘电容,此边缘电容是由于插人
一个与电极直径相同的试样而稍微有所变化。实际上只要试样直径比电极直径小2倍试样厚度,就可
消除这种误差
先将 样放在测微计电极间并调节测量电路参数。然后取出试样,调节测微计电极间距或重新
调节标准电容器来使电路的总电容回到初始值。
2 计算试样电容CP

式中:
AC—
接人试样后,在谐振的两侧当检测器输人电压等于谐振电压的抓习2时可变电容器M,
(
读数之差
AC— 在除去试样后与上述相同情况下的两电容读数差。
值得注意的是在整个试验过程中试验频率应保持不变。
:贴在试样上的电极的电阻在高频下会变得相当大,如果试样不平整或厚度不均匀,将会引起试样损耗因数的明
显增 这种变得明显起来的频率效应,取决于试样表面的平整度,该频率也可低到 10M Hz,因此,必须在
10 M Hz 及更高的频率下,且没有贴电极的试样上做电容的损耗因数的附加侧量。假设Cwtan 为不贴电
极的 的电容和损耗因数,则计算公式为:

屏蔽

线路两点之间的接地屏蔽,可消除这两点之间的所有的电容,而被这两个点的对地电容所代
替。因此,导线屏蔽和元件屏蔽可任意运用在那些各点对地的电容并不重要的线路中;变压器电桥和带
有瓦格纳接地装置的西林电桥都是这种类型的电路
方面来说,在采用替代法电桥里,在不管有没有试样均保持不变的线路部分是不需要屏
蔽的。
际上 ,在电路中将试样、检测器和振荡器的连线屏蔽起来。并尽可能将仪器封装在金属屏蔽里,
可以防止观察者的身体(可能不是地电位或不固定)与电路元件之间的电容变化。
对于 100 k Hz数量级或更高的频率,连线应可能短而粗,以减小自感和互感;通常在这样的频率下
即使一个很短的导线其阻抗也是相当大的,因此若有几根导线需要连接在一起,则这些导线应尽可能的
连接于一点。
如果 使 一个开关将试样从电路上脱开,开关在打开时它的两个触点之间的电容必须不引人测量
误差。在三电极测量系统中,要做到这点,可以在两个触点间接人一个接地屏蔽,或是用两个开关串联,
当这两个开关打开时,将它们之间的连线接地,或将不接地且处于断开状态的电极接地。

电桥的振荡器和检测器
A. 7. 1 交流电压源
满足 总谐 波分量小于 1%的电压和电流的任一电压源。
A.7 .2 检测器
类检测器均可使用,并可以带一个放大器以增加灵敏度:
1)
(如需要可带变频器);
2)
子电压表或波分析器;
3)
阴极 射线示波器;
4) “
调节指示器;
5)
检流计(仅用于低频)
电桥 和检测器中间需加一个变压器,用它来匹配阻抗或者因为电桥的一输出端需接地
谐波 会掩盖或改变平衡点,调节放大器或引人一个低通滤波器可防止该现象 对测量频率的
二次谐波有40 dB的分辨率是合适的

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