Методы исследования диэлектрических свойств электроизоляционных материалов

Page 1
background image

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

.

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.


Page 2
background image

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


Page 3
background image

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)


Читать онлайн

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.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»