介電常數測試儀的標準

測量電氣絕緣材料在工頻▩▩₪··、音訊▩▩₪··、高頻
(包 括 米 波 波 長 在 內)
下電容率和介質損耗因數的推薦方法
本標 準 規 定了在15H z-300M Hz的頻率範圍內測量電容率▩▩₪··、介質損耗因數的方法✘₪，並由此計算某
些數值✘₪，如損耗指數↟╃╃☁✘。本標準中所敘述的某些方法✘₪，也能用於其他頻率下測量
本 標 準 適用於測量液體▩▩₪··、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▩▩₪··、
溼度✘₪，在特殊情況下也與電場強度有關
有 時在 超 過 10 00V 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
2 規範性引用檔案
下 列 文 件中的條款透過本標準的引用而成為本標準的條款↟╃╃☁✘。凡是注日期的引用檔案✘₪，其隨後所有
的修改單(不包括勘誤的內容)或修訂版均不適用於本標準✘₪，然而✘₪，鼓勵根據本標準達成協議的各方研究
是否可使用這些檔案的版本↟╃╃☁✘。凡是不注日期的引用檔案✘₪，其版本適用於本標準↟╃╃☁✘。
IEC 6 02 47:1978 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 和定義適用於本標準↟╃╃☁✘。
3. 1
相對 電 容 率 relativep ermittivity
C丁
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C 之比:
⋯ ”” ·············↟╃╃☁✘。··⋯(1)
式 中 :
E,— 相 對電容率;
CX — 充有絕緣材料時電容器的電極電容;
C — 真 空中電容器的電極電容↟╃╃☁✘。
在標 準 大 氣壓下✘₪，不含二氧化碳的於燥空氣的相對電容率↟╃╃☁✘。「等於1.00 0.7 3↟╃╃☁✘。因此✘₪，用這種電極構
形在空氣中的電容C↟╃╃☁✘。來代替C‑測量相對電容率↟╃╃☁✘。r時✘₪，也有足夠的度↟╃╃☁✘。
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↟╃╃☁✘。r與真空電氣常數Eo
的乘積
在 S 1制 中✘₪，電容率用法/米(F/m )表示↟╃╃☁✘。而且↟╃╃☁✘。在SI單位中✘₪，電氣常數↟╃╃☁✘。▩▩₪··、為
‘↟╃╃☁✘。=8. 854 X 10 12 F/m c 1 s6a丫10 日F廠m ’“ ““‘↟╃╃☁✘。↟╃╃☁✘。·⋯ ⋯ (2)
在本標準中✘₪，用皮法和釐米來計算電容✘₪，真空電氣常數為:E0= 0. 088 54 pF/cm

定義

介質損耗角dielectric loss angle
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餘角↟╃╃☁✘。

介質損耗因數✘₪，✘₪，dielectric dissipation factor

tan8損耗角a的正切↟╃╃☁✘。

〔介質〕損耗指數
E,該材料的損耗因數
tan8與相對電容率:r的乘積

復相對電容率complex relative permittivi

式 中 :
E, 一復相對電容率;
鮮— 損耗指數;
r一相對電容率;
tan8一介質損耗因數↟╃╃☁✘。
注 :有損耗的電容器在任何給定的頻率下能用電容C和電阻R,的串聯電路表示✘₪，或用電容C,和電阻R,(或電導G, )的 並 聯 電 路表示

CP— 並聯電容;
R,— 並聯電阻↟╃╃☁✘。
雖然以並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C,
和電阻R,的串聯電路來表示↟╃╃☁✘。
串聯元件與並聯元件之間✘₪，成立下列關係:

式(9), (10), (I)中C‑R‑C,,R,,tan6同式(7),(8)0
無論串聯表示法還是並聯表示法✘₪，其介質損耗因數tans是相等的.
假如測量電路依據串聯元件來產生結果✘₪，且tan'8 太大而在式(9)中不能被忽略✘₪，則在計算電容率前必須先
計算並聯電容
本標準中的計算和側量是根據電流(田=2兀/)正弦波形作出的
4 電氣絕緣材料的效能和用途
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 迴路元件的支撐✘₪，並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 影響介電效能的因素
下 面分 別 討論頻率▩▩₪··、溫度▩▩₪··、溼度和電氣強度對介電效能的影響↟╃╃☁✘。
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範圍內它們的↟╃╃☁✘。r和tans幾乎是恆定的✘₪，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於介質極化和電導而產生✘₪，醉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介面極化所引起的↟╃╃☁✘。
4.2.2 溫度
損 耗 指 數在一個頻率下可以出現一個醉大值✘₪，這個頻率值與電介質材料的溫度有關↟╃╃☁✘。介質損耗因
數和電容率的溫度係數可以是正的或負的✘₪，這取決於在測量溫度下的介質損耗指數醉大值位置↟╃╃☁✘。
4.2. 3 溼度
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溼度進行控制是*的
注 :溼 度 的顯著影響常常發生在1MHz以下及微波頻率範圍內
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✘₪，其損耗指數醉大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區域性放電✘₪，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✘₪，採用板狀試樣✘₪，也可採用管狀試樣

在測 定 電容率需要較高精度時✘₪，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度↟╃╃☁✘。厚度的選取決定於試樣的製備方法和各點間厚度的變化↟╃╃☁✘。
對1%的度來講✘₪，1.5 mm的厚度就足夠了✘₪，但是對於更高度✘₪，採用較厚的試樣✘₪，例如
6 mm-12 mm 測量厚度必須使測量點有規則地分佈在整個試樣表面上✘₪，且厚度均勻度在士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10 pF的電容時✘₪，使用有良好遮蔽保護的儀器↟╃╃☁✘。由於現有儀器的極限分辨能力約1 pF,因此
試樣應薄些✘₪，直徑為10 cm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儘可能地小✘₪，即被測電容和該
電阻的乘積要儘可能小同樣✘₪，被測電容對總電容的比值要儘可能地表示導線電阻要儘可
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儘可能小✘₪，且試樣電容要大↟╃╃☁✘。因此試樣電
容取值為20 pF✘₪，在測量回路中✘₪，與試樣並聯的電容不應大於約5 pF,
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
電極應比另一個電極大些↟╃╃☁✘。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↟╃╃☁✘。對於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
的經驗公式由表飛給出↟╃╃☁✘。
對於 介 質 損耗因數的測量✘₪，這種型別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〕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人電極系統中測量✘₪，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 人和不插人時✘₪，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 近似等於試樣的電容率✘₪，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係不大↟╃╃☁✘。當相繼採用兩種流體時✘₪，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✘₪，表工給出了近似計算公式這些公式是經驗公式✘₪，只適用於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✘₪，邊緣電容可採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 的矽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100 pm✘₪，也可使用厚度小於10 I'm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 屬電極適用於玻璃▩▩₪··、雲母和陶瓷等材料✘₪，銀是普遍使用的✘₪，但是在高溫或高溼下✘₪，採用 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效能✘₪，而且材料承受高真空時也不過度逸出氣體✘₪，則本
方法是可以採用的↟╃╃☁✘。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淨的↟╃╃☁✘。汞電極
不能用於高溫✘₪，即使在室溫下用時✘₪，也應採取措施✘₪，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錫,錫象汞一樣✘₪，也是毒性元素↟╃╃☁✘。這些
合金只有在良好抽風的房間或在抽風櫃中才能用於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 氣幹或低溫烘乾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✘₪，可透過溼
氣✘₪，能使試樣的條件處理在塗上電極後進行✘₪，對研究溼度的影響時特別有用↟╃╃☁✘。此種電極的缺點是試樣塗
上銀漆後不能馬上進行試驗✘₪，通常要求12 h以上的氣幹或低溫烘乾時間✘₪，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侷限↟╃╃☁✘。
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✘₪，但是有時候也可採用✘₪，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✘₪，若採用石墨懸浮液製成電極✘₪，則石墨還會穿透試樣↟╃╃☁✘。
5.1.4 電極的選擇
5.1.4.1 板狀試樣
考 慮 下 面兩點很重要:
a) 不 加 電極✘₪，測量時快而方便✘₪，並可避免由於試樣和電極間的不良接觸而引起的誤差↟╃╃☁✘。
b) 若 試 樣上是加電極的✘₪，由測量試樣厚度h時的相對誤差△h1h所引起的相對電容率的相對誤差

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