КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009
38
Производство
Электроизоляционные материалы (ЭИМ) могут
обладать поляризацией различных типов: элек-
тронной, ионной, миграционной, спонтанной и
упругой. Каждой из них присуща своя предель-
ная частота. Следовательно, для измерения отно-
сительной диэлектрической проницаемости ε и
тангенса угла диэлектрических потерь tgδ ЭИМ не-
обходимо использовать соответствующие по частоте
методы.
В таблице приведены методы и соответствующие
им диапазоны частот, используемых при измерении
ε и tgδ ЭИМ.
Рассмотрим вкратце методы измерения ε и tgδ
ЭИМ, используемых в качестве электрической изо-
ляции кабельных изделий.
Исследование диэлектрических свойств новых
ЭИМ целесообразно начинать, на наш взгляд, с низ-
ких частот с помощью мостовых методов, которые
позволяют производить измерения ε и tgδ с любым
наперед заданным шагом по частоте и обнаружи-
вать наличие максимумов или минимумов на кри-
вых ε и tgδ, если таковые имеются.
1. МОСТ VKB
Действующий c 1965 года и до настоящего време-
ни в ФГУП «ОКБ КП» измерительный конденсаторный
мост Шеринга типа VKB фирмы ROHDE&SCHWARZ с
согласующим усилителем-индикатором типа UBM и
измерительным конденсатором типа KMT с охран-
ным кольцом позволил исследовать большое коли-
чество новых ЭИМ.
Мост переменного тока VKB (рис. 1) имеет следую-
щие технические характеристики:
- диапазон рабочих частот — от 50 Гц до 300 кГц;
- пределы измерения tgδ — от 5·10
-4
до 3,5·10
-1
;
- пределы измерения
С
х
— от 10 пФ до 1 мкФ;
- погрешность измерения tgδ ± 5 % ;
- погрешность измерения
С
х
— ± 2 % ;
- диаметр защищенного электрода — 80,3 мм;
- расстояние между электродами — от 0 до 7,5 мм.
Принцип действия моста основан на балансиров-
ке мостовой схемы с помощью переменного кон-
денсатора Сх и переменного сопротивления Rх по
нулевому индикатору. При равновесии моста
tgδ =
R
x
· ω ·
C
x
.
Методы исследования диэлектрических свойств
электроизоляционных материалов
Таблица. Диапазоны частот и соответствующие им методы измерения ε и tgδ
электроизоляционных материалов:
Методы
Диапазон частот
Квазистатические методы
измерения
Мостовые
методы
1
2
3
Резонансные
методы
4
5
6
Динамические
методы изме-
рения
Управляемые
волны
Резонансные
волноводные
7
8
9
Длинных линий
и мостовые
10
11
13
12
Свободные
волны
Оптические
методы
14
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
gl
1 — мост Гарриса;
2 — мосты Шеринга;
3 — трансформаторные мосты;
4 — метод вариации реактивной проводимости;
5 — метод куметра;
6 — метод проходных объемных резонаторов;
7 — методы объемных резонаторов;
8 — методы коаксиальных резонаторов;
9 — квазиоптические резонаторные методы;
10 — методы измерительных линий;
11 — методы коаксиальных линий;
12 — мостовые СВЧ-методы;
13 — методы квазиоптических полых волноводов;
14 — оптические методы.
КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009
39
Производство
Практическая формула для расчета угла диэлек-
трических потерь имеет вид tgδ =
A · B · f
[кГц], где
А
и
В
— показания на шкалах прибора.
Диэлектрическую проницаемость определяют
прямым измерением емкости Cх плоского образца и
рассчитывают по формуле:
где
d
— толщина образца.
Одновременно с мостом Шеринга типа VKB в ОКБ
КП использовался куметр типа TF-329G и измеритель
диэлектрических потерь TF-704G фирмы Marconi на
частотах от 50 кГц до 100 МГц. Куметр был дополни-
тельно снабжен простой измерительной ячейкой, со-
стоящей из нижнего массивного латунного электрода
и верхнего подпружиненного точечного электрода.
На образец диаметром 50 мм наклеивались с помо-
щью вазелина электроды из алюминиевой фольги
и проводились измерения. Куметр обеспечивал за
счет набора сменных эталонных индуктивностей из-
мерения с погрешностью 20 % для tgδ и 5 % для ε в
диапазоне частот до 30 МГц.
2. РЕЗОНАНСНЫЕ ДИЭЛЬКОМЕТРЫ
Коаксиальные резонаторы
В 70-х годах в ОКБ КП были разработаны и изготов-
лены четвертьволновые коаксиальные резонаторы
КР-300, КР-500 и КР-1000 (300; 500 и 1000 МГц соот-
ветственно), с помощью которых проводились ис-
следования температурно-частотных зависимостей
широкого класса ЭИМ. Основными недостатками
этих резонаторов были их громоздкость (вес — до 10
кг) и отсутствие визуального наблюдения за симме-
тричным расположением исследуемого образца на
поверхности внутреннего электрода внутри резона-
тора, так как малейший толчок резонатора приводил
к смещению образца или к его падению во внутрен-
нюю полость резонатора и повторению сложной
процедуры измерения).
В начале 80-х годов Ангарским ОКБА НПО «Химав-
томатика» разработан ряд автоматизированных из-
мерителей диэлектрических параметров твердых
(объемных и пленочных) материалов: Ш2-6, Ш2-7,
Ш2-10, ИДПМ-1. Они позволяют измерять ε и tgδ ЭИМ
на фиксированных частотах от 0,1 до 9000 МГц. В ка-
бельном производстве при входном контроле ε и tgδ
изоляционных полиэтиленов низкой и высокой плот-
ности в соответствии с ГОСТ 16337-77 используются
частоты 1 и 500 МГц.
Диэлькометр Ш2-6
На смену резонатору КР-500 пришел диэлькометр
Ш2-6 [1]. Сравнительные измерения показали, что их
результаты в пределах погрешности совпадают.
Диэлькометр имеет встроенную микро-ЭВМ, рабо-
тает на фиксированной частоте 500 МГц и обеспечи-
вает получение прямых цифровых отсчетов толщины
образца, ε и tgδ. Время проведения трех измерений
ε и tgδ одного образца диэлектрика составляет 6
— 10 мин. В основу прибора положена измеритель-
ная ячейка ИПДП-1 (рис.2),
представляющая собой ко-
аксиальный резонатор 4 с
сосредоточенной емкостью,
образованной
торцевыми
поверхностями внутренних
электродов 5 и 7. Верхний
внутренний электрод 5 сое-
динен шаровым шарниром
со штоком 2 преобразовате-
ля перемещений 1 и может
перемещаться в осевом на-
правлении.
Электрический
контакт верхнего электрода
с корпусом резонатора осу-
ществляется через сильфон
3, а связь резонатора с гене-
ратором и детектором — че-
рез петли связи 6.
Генератор рабочего сигнала с частотой 500 МГц
построен по схеме последовательного умножения
сигнала кварцевого автогенератора, стабилизация
мощности генерируемого сигнала осуществляется
схемой АРУ (рис. 3).
Алгоритм измерения ε и tgδ в диэлькометре Ш2-6
состоит из измерения резонансных расстояний меж-
ду электродами резонатора, измерения соответству-
ющих резонансных напряжений, а также измерения
Рис.1. Внешний вид моста
VKB с измерительной
ячейкой, генератором
Г3-112/1 с блоком-
усилителем
Рис.2. Измерительная
ячейка ИПДП-1
КАБЕЛЬ−news / № 8 / август 2009
40
Производство
толщины образца. В последующие годы диэлькометр
Ш2-6 подвергся модернизации (рис. 4) [2].
Принцип действия диэлькометра Ш2-6М основан на
определении резонансной характеристики нагружен-
ного измерительного преобразователя с образцом и
без образца (диаметр образца 30 мм, толщина — до
6 мм). Сканирование межэлектродного пространства
осуществляется шаговым двигателем, перемещающим
электрод, одновременно напряжение на резонаторе
измеряется интегрирующим АЦП, а соответствующее
ему межэлектродное расстояние — с помощью ем-
костного преобразователя перемещение-частота. У
вершины резонансного пика, с целью повышения точ-
ности, скорость сканирования уменьшается.
В состав каждого из диэлькометров входит
унифицированный блок управления, представ-
ляющий собой специализированную микро-ЭВМ,
управляющую процессом измерений и осущест-
вляющую математическую обработку результатов.
Приборы комплектуются емкостным преобразова-
телем перемещение-частота, позволяющим опреде-
лять среднюю толщину образца путем измерения
толщины образца в произвольном числе точек его
поверхности. Обработка результатов измерения тол-
щины производится автоматически с помощью бло-
ка управления.
Обеспечен вывод результатов измерений на циф-
ропечатающее устройство. Имеется набор тестовых
программ, обеспечивающих самодиагностику и
юстировку приборов.
Поверка диэлькометров осуществляется по госу-
дарственным стандартным образцам (ГСО).
При поверке диэлькометров по ε используются
около тридцати ГСО разной толщины из фторопласта
(ε = 2,02), эбонита (ε = 2,75), кварца (ε = 3,81) и керами-
ки (ε = 5,25; 9,6 и 19,9).
При поверке по tgδ используются ГСО из фторо-
пласта, полистирола, оргстекла, эбонита, кварца и
трех видов керамики.
Резонансный диэлькометр Ш2-7
Диэлькометр Ш2-7 предназначен для экспресс-
измерений ε и tgδ на частотах 1 и 10 МГц. При исполь-
зовании внешнего генератора прибор может быть
легко модифицирован на любую частоту измерения в
диапазоне 0,1-10 МГц. Принцип действия и структура
диэлькометра Ш2-7 в основном аналогичны диэлько-
метру Ш2-6 (Ш2-6М). Внешнее оформление диэлько-
метров Ш2-6 и Ш2-7 практически идентично.
Сканирование резонансной характеристики осу-
ществляется реверсивным двигателем на постоян-
ной скорости, что оказалось возможным благодаря
более низкой добротности резонансного контура
(Q = 150 – 200) и пикового детектора, запоминающего
резонансное напряжение.
Резонансное межэлектродное расстояние нахо-
дится путем определения координаты вершины ре-
зонансной характеристики методом сглаживания.
При автокалибровке собственная добротность
контура определяется путем измерения частотной
ширины резонансной характеристики на уровне 0,7.
Диэлькометры Ш2-6М и Ш2-7 используются в ФГУП
«ОКБ КП» для определения ε и tgδ при входном кон-
троле электроизоляционных материалов свыше 20
лет и показали себя надежными и удобными в работе.
В следующей публикации будут рассмотрены объ-
емные цилиндрические резонаторы, с помощью ко-
торых в ОКБ КП было проведено большое количество
работ по изучению диэлектрических свойств ЭИМ.
В.В. Костромин, к.т.н., Б.С. Романов, к.ф-м.н.,
ФГУП «ОКБ КП»
Литература
1. Метрология / Немаров А.В., Подгорный Ю.В., Шер-
стов К.Д., Костромин В.В. 1982. №11, C.45–52.
2. Подгорный Ю.В., Пинхусович Р.Л. Резонансные диэлько-
метры твердых материалов // Всесоюзное совещание «Ме-
трологическое обеспечение диэлектрических измерений»
(тезисы докладов), 21-23 мая 1991 г., Иркутск, 1991, C.6-10.
Рис.4 Внешний вид диэлькометра Ш2-6М
Аналого-
цифровой
преобразователь
Детектор
Преобразователь
перемещений
Генератор
преобразователя
перемещений
Преобразователь
частота-код
Блок
индикации
Узел
электромеханической
перестройки
Генератор
500 МГц
Микро-ЭВМ
Рис.3. Блок схема диэлькометра Ш2-6(Ш2-6М)
Оригинал статьи: Методы исследования диэлектрических свойств электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы (ЭИМ) могут обладать поляризацией различных типов: электронной, ионной, миграционной, спонтанной и упругой. Каждой из них присуща своя предельная частота. Следовательно, для измерения относительной диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ ЭИМ необходимо использовать соответствующие по частоте методы.
