4. Приборы для измерения ε и tgδ полимеров

Измерения ε и tgδ полимеров проводятся в широком диапазоне частот: от 10^-5 до 10¹⁰ Гц. Измерения в непрерывном частотном диапазоне проводят обычно в научно-исследовательских целях, на практике же для оценки и контроля качества. полимерных материалов измерения проводят чаще всего на некоторых стандартных частотах:

1) на промышленной частоте 50 Гц (в США и некоторых других странах 60 Гц);

2) на частоте 1 кГц (в некоторых странах вместо частоты 1 кГц используют частоту, близкую к максимальной чувствительности человеческого уха, равную 800 Гц, иногда проводят измерения на частоте 1592 Гц, что соответствует со = 10⁴);

3) на частоте 1 МГц;

4) на частоте 500 МГц;

5) на частоте 3 · 10⁹ Гц (3 ГГц).

На промышленной частоте проводят испытания материалов, которые используют для электрической изоляции в силовых цепях. На частоте 1 кГц проводят испытания материалов, которые применяют для электрической изоляции на звуковых частотах в радиотехнике, технике связи, электронике. Обычно это материалы, используемые как изоляторы в конденсаторах, поэтому чаще всего при 1 кГц испытывают полимерные пленки, а при 50 Гц - как блочные образцы толщиной 1 – 5 мм, так и пленки толщиной 100 – 20 мкм, используемые для пазовой и межслоевой изоляции и т. п.

На частоте 1 МГц испытывают блочные и пленочные образцы материалов, предназначенных для применения в радиоаппаратуре, средствах связи. На частоте 500 МГц испытывают полимеры, предназначенные для работы в высокочастотной аппаратуре, например политетрафторэтилен. На частоте 3 ГГц испытывают полимерные материалы, используемые для работы в СВЧ-аппаратуре.

4.1. Мост vkb

Мост переменного тока VKB (рис. 1) имеет следующие 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 балансировке мостовой схемы с помощью переменного конденсатора С_х и переменного сопротивления R_х по нулевому индикатору. При равновесии моста

tgδ = R_x · ω · C_x .

Практическая формула для расчета угла диэлектрических потерь имеет вид

tgδ = A · B · f [кГц],

где А и В — показания на шкалах прибора.

Рис. 17. Внешний вид моста VKB с измерительной ячейкой, генератором Г3-112/1 с блоком-усилителем

Диэлектрическую проницаемость определяют прямым измерением емкости C_х плоского образца и рассчитывают по формуле:

где d — толщина образца.

4.2. Резонансные диэлькометры

4.2.1. Коаксиальные резонаторы

В 70-х годах в были разработаны и изготовлены четвертьволновые коаксиальные резонаторы КР-300, КР-500 и КР-1000 (300; 500 и 1000 МГц соответственно), с помощью которых проводились исследования температурно-частотных зависимостей широкого класса ЭИМ. Основными недостатками этих резонаторов были их громоздкость (вес — до 10 кг) и отсутствие визуального наблюдения за симметричным расположением исследуемого образца на поверхности внутреннего электрода внутри резонатора, так как малейший толчок резонатора приводил к смещению образца или к его падению во внутреннюю полость резонатора и повторению сложной процедуры измерения.

В начале 80-х годов разработан ряд автоматизированных измерителей 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 кабельном производстве при входном контроле ε и tgδ изоляционных полиэтиленов низкой и высокой плотности в соответствии с ГОСТ 16337-77 используются частоты 1 и 500 МГц.