Практикум по курсам Электротехническое материаловедение, Материалы электронной техники
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
Рис. 2. Внешний вид образца (объекта исследования) Рис. 3. Схема подключения образца к измерителю RLC 5. Кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предна- значена для подключения электродов диэлектрического образца к изме- рительной цепи и установки его в рабочей камере термостата. Электри- ческий контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов. Рабочее задание 1. Проведите измерения и образцов на частотах 120 Гц и 1 кГц в диапазоне температур от комнатной до 100 ºС с шагом 10 23 2. Для измеренных значений определите относительную диэлек- трическую проницаемость 3. Постройте графики зависимостей и от температуры на ча- стотах 120 Гц и 1 кГц. Определите, является ли данный вам образец по- лярным. 4. Сделайте письменные выводы по проведенной работе. Порядок проведения работы Работа на установке требует строго выполнения правил по технике безопасности. Пред началом работы следует ознакомиться с устройством установки, типовым заданием, приведенным в работе, указаниями пре- подавателя по его выполнению. Начинать работу на установке можно только по разрешению преподавателя. 1. Проведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика при комнатной температуре, для этого: а) для включения режима регулирования нажмите кнопку «ИЗ- МЕР» на передней панели термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору; б) нажатием на кнопку «L/C/R» на панели измерителя E7-22 выбе- рите режим измерения «С». Подключите измеряемый компонент к изме- рителю. Установите необходимую частоту, на которой будут проводить- ся измерения, используя кнопку ―ЧАСТ‖. При каждом нажатии на кноп- ку частота изменяется в последовательности 1 кГц 120 Гц 1 кГц. Затем необходимо выбрать схему замещения для нашего образца, для чего используют кнопку «Пар/Посл». При каждом нажатии на кноп- ку тип схемы замещения меняется в последовательности Пар Посл Пар; в) на основном и дополнительных индикаторах измерителя E7-22 отобразятся результаты измерения. Произведите отсчет значений емкости в pF (пФ) или nF (нФ) и тангенса угла диэлектрических потерь D (tg ) по соответствующим индикаторам измерителя. 2. С помощью кнопок «УСТАНОВКА–»или «УСТАНОВКА+» за- дайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индика- торе. 3. Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов: «БОЛЬШЕ»; «НОРМА»; «МЕНЬШЕ». При зажигании светодиода «НОРМА» (дублируется звуковым сиг- налом) необходимо сделать выдержку 2…3 мин для обеспечения устано- вившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. 24 После наступления установившегося температурного режима проведите измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь. 4. При необходимости измерения можно проводить и в режиме уменьшения нагрева от установленной максимальной температуры. 5. По измеренным значениям емкости и с учетом геометрических размеров испытуемого образца вычисляются значения диэлектрической проницаемости. Внимание! После окончания измерений установите минимальную температурукнопкой «УСТАНОВКА–» термостата, не допускайте дли- тельной работы термостата при температурах свыше 100 ºС. 6. После двух часов непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин. Обработка результатов измерений Диэлектрическая проницаемость диэлектрика с круглыми элек- тродами (рис. 1, а) вычисляется по формуле где — емкость образца в Ф; — толщина образца, м; — площадь круглого электрода ; = 8,85·10 –12 Ф/м — электрическая постоянная. Образец имеет следующие размеры: толщина — 1,0 мм; диаметр — 100 мм. Контрольные вопросы 1. Какие виды поляризаций могут наблюдаться в твердых диэлек- триках, что такое диэлектрическая проницаемость? 2. Какие поляризации сопровождаются диэлектрическими потеря- ми? 3. Какие механизмы обусловливают диэлектрические потери, что такое мощность диэлектрических потерь и тангенс угла диэлектрических потерь? 4. Как зависят и от температуры, напряженности и частоты электрического поля? 5. Как рассчитать величину ε диэлектрического материала по изме- ренной емкости конденсатора? 6. Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, стекло, керамика? 25 Лабораторная работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ (ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ) НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ Цель работы — определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь различных электроизоляци- онных материалов в зависимости от изменения частоты электрического поля, а также ознакомление с одним из стандартных методов определе- ния этих диэлектрических характеристик. Домашнее задание Изучите: 1) физические основы и характерные черты различных видов поля- ризации диэлектриков на высоких частотах; 2) виды и физическую природу диэлектрических потерь; 3) влияние частоты электрического поля и температуры окружаю- щей среды на величины и . 4) методику определения и твердых электроизоляционных материалов на высоких частотах (выше 10 кГц) резонансным методом; 5) порядок проведения работы; 6) порядок проведения обработки результатов испытаний и оформ- ления протокола по работе. Тангенс угла диэлектрических потерь 𝐭𝐠𝛅 Диэлектрические потери представляют ту часть электрической энергии, которая превращается в тепло. Потери энергии в электротехни- ке описываются углом между векторами напряжения и тока на век- торной диаграмме (риc. 1). Для описания потерь с практической точки зрения это не очень удобно, поскольку угол близок к . Поэтому диэлектрические потери принято характеризовать углом , дополняю- щим угол до . Введение в качестве характеристики потерь имеет физический смысл лишь в переменном электрическом поле. Согласно рис. 1, . Таким образом, для определения тангенса угла диэлектрических потерь , достаточно определить емкость конденсатора, в котором находится исследуемый ди- электрик и его активное сопротивление, отвечающее за потери. Допол- нительно при измерении емкости описанная ниже методика позволяет определить величину относительной диэлектрической проницаемости 26 Рис. 1. Векторная диаграмма и параллельная схема замещения диэлектрика Тангенс угла диэлектрических потерь является важнейшей фи- зической величиной, ее значение всегда указывается в технических усло- виях для электроизоляционных материалов, производимых промышлен- ностью. Значение используетcя разработчиками электротехнических изделий при конструировании техники. Описание лабораторной установки В работе для определения и диэлектриков на высоких ча- стотах используется резонансный метод измерения емкости и добротно- сти конденсаторов с помощью измерителя добротности (куметра). Резо- нансная частота колебательного контура зависит от его индуктивности и емкости: ( √ ) ⁄ Измерительный прибор состоит из генератора высокой частоты (ГВЧ), колебательного контура и индикатора резонанса — электронного вольтметра (рис. 2). В качестве индикатора резонанса можно использо- вать электронный вольтметр с большим входным сопротивлением, пока- зания которого в момент резонанса максимальны. Если исследуемый образец, выполненный в виде конденсатора с неизвестной емкостью , , включить параллельно с катушкой известной индуктивности , вклю- ченной параллельно конденсатору с известной емкостью и измерять резонансную , то значение емкости можно получить из выражения . Чтобы исключить влияние паразитных параметров на ре- зультаты измерения (емкость монтажа контура, собственную емкость ка- тушки индуктивности, сопротивления, вносимые в колебательный кон- тур генератором высокой частоты и индикатором резонанса), резонанс- ный способ применяют в сочетании с методом замещения, рис. 2. В этом случае измерения выполняют дважды: без образца и вместе с ним. Вначале резонансный контур, состоящий из индуктивности и переменной емкости , настраивают в резонанс на частоту , при этом фиксируют значения и емкости , рис. 3.2. Затем параллельно кон- денсатору подключают конденсатор и изменением (уменьшением) емкости конденсатора добиваются резонанса при той же частоте ; соответствующее значение емкости будет . Таким образом, изменени- 27 ем известной емкости компенсируется включенная в контур неизвестная емкость, т. е. , откуда . Зная величину по известным геометрическим размерам исследуемого образца- конденсатора вычислить величину относительной диэлектрической про- ницаемости диэлектрика. Параллельное подключение к возможно для случая, когда Рис. 2. Схема измерения методом замещения емкости Резонансным способом возможно измерение активного и полного сопротивлений образца, а также (рис. 3). Одним из основных пара- метров, характеризующих качество колебательного контура и отдельных его элементов, является добротность . На принципе резонанса работает измеритель непосредственной оценки добротности — куметр (рис. 4, а, б). Рис. 3. Схема куметра Рис. 4. Принципиальная схема измерительного колебательного контура куметра без подключенного образца (а) и с подключенным образцом (б) V C x C 0 ГВЧ L ГВЧ V L k V C 0 R k 1 1' 2 2' C Д1 C Д2 "Уровень" "Q" L Q C 0 L Q C 0 C x R x а) б) 28 При резонансе в последовательной цепи Добротность катушки (она равна добротности контура, если пре- небречь потерями в конденсаторе) определяется как (2) где — параметры катушки; — напряжение на конденсаторе с известной емкостью в момент резонанса в контуре; — напряже- ние, прикладываемое к резонансному контуру. Наиболее часто куметр используют для измерения больших сопро- тивлений , имеющих активно-емкостный характер. В этом случае подключают к зажимам 2—2' куметра. Если поддерживать постоянным, то будет пропорцио- нально и, следовательно, шкалу выходного вольтметра можно отгра- дуировать в единицах добротности. Входное напряжение, вводимое в измерительный контур от генератора высокой частоты ГВЧ через ем- костной делитель напряжения, поддерживается постоянным при помо- щи входного электронного вольтметра (вольтметра уровня) и не превы- шает 0,2 В. В приборе имеется генератор фиксированной частоты для ка- либровки вольтметра . Куметры можно использовать в диапазоне ча- стот 50 кГц — 350 МГц. Для определения полного сопротивления , где с помощью куметра измерения выполняют дважды без искомо- го и с искомым сопротивлениями. Последовательный колебательный контур, составленный из вспомогательной катушки известной индуктив- ности с собственным известным сопротивлением (входящей в комплект куметра) и конденсатора переменной емкостью – , настраи- вают в резонанс на частоту измерения . При этом фиксируются значе- ния частоты , емкости , добротности контура . Затем исследуемое сопротивление ( ), в нашем случае об- разец, подключают параллельно к конденсатору емкостью (модуль сопротивления , имеющего активно-емкостной характер – должен иметь большое значение, в нашем случае это выполняется). Контур с по- мощью конденсатора вновь настраивается в резонанс. Зафиксирован- ные значения , и совместно с данными, полученными при пер- вом измерении, и дают возможность определить модуль и его составляющие , . При первом измерении (без подключенного к куметру ) (3) 29 При втором измерении (c подключенным к куметру )сопротив- ление колебательного контура куметра равно [ ( )] [ ( )] = [ ( )] ( ) (4) Поскольку резонанс при втором измерении осуществлен при той же частоте , что и при первом измерении, , значение ( ) ,поэтому ( ( ) ) В момент резонанса выполняется условие ( ) [ ( )] Следовательно, ( ) [( ) ( )] (5) где значение получено из (3). Решая (5) относительно , получаем [ ( )] (6) где — угловая частота рад/c; , — резонансные емкости с образцом и без образца, пФ; — сопротивление, Ом. Иско- мая емкость . Величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика пропорционально емкости Тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого диэлектрика рассчитывают по формуле: ( ) ( ) (7) Точность расчета зависит от точности измерения разности , поскольку имеет более высокую точность измерения. Практическая часть Измерение основано на двукратной настройке в резонанс последо- вательного колебательного контура, содержащего образцовую индуктив- ную катушку и конденсатор переменной емкости (рис. 4б). 30 Сначала, не подключая испытуемый образец-конденсатор, измене- нием емкости контур настраивают в резонанс, когда комплексное со- противление контура минимально, а емкостное и индуктивное составля- ющие общего сопротивления контура равны, то есть Резонанс фиксируют по максимальному показанию проградуи- рованного в единицах добротности вольтметра Далее испытуемый образец-конденсатор, который может быть представлен в виде параллельной схемы замещения ( и ), включают параллельно емкости (рис. 4б). При неизменных величинах частоты и индуктивности контур вновь настраивают в резонанс. Теперь настрой- ку контура производят изменением (уменьшением) переменной емкости от значения до так, чтобы (расчетная формула 1) Значение добротности , соответствующее резонансу в контуре с подключенным испытуемым конденсатором, меньше из-за диэлектри- ческих потерь в конденсаторе Расчетные соотношения, связывающие относительную диэлектри- ческую проницаемость и емкость образца, приводятся на каждом из об- разцов. Тангенс угла диэлектрических потерь испытуемого конденсатора tgδ рассчитывают по формуле ( ) ( ) (расчетная формула 2) где и — соответственно значения емкости и добротности конту- ра в резонансе без образца; и — то же с образцом Рабочее задание 1. При температуре (20±5) °С на частоте 1 МГц определите и образцов твердых диэлектриков, выбранных по указанию преподавателя. 2. Рассчитайте погрешность определения и . 3. Снимите зависимости и от частоты в диапазоне от 50 кГц до 10 МГц (10 – 12 точек, по указанию преподавателя) для предложен- ных образцов диэлектриков. 4. Полученные зависимости представьте в виде графиков ( ( )) и ( ( )), где – частота электрического поля. 5. Сделайте письменные выводы по проведенной работе. 6. Оформите отчет по выполненной работе. 31 Порядок проведения работы Исследования образцов проводятся с помощью измерителя доб- ротности ВМ-560, предназначенного для эксплуатации в интервале ча- стот от 50 до 35 МГц. Перед началом работы следует ознакомиться с прибором, комплек- том образцовых индуктивных катушек, предлагаемыми образцами твер- дых электроизоляционных материалов, типовым рабочим заданием и указаниями преподавателя. Начинать работу можно только по разреше- нию преподавателя в следующем порядке. 1. Для подготовки прибора к работе тумблер питания переводится в положение ―СЕТЬ‖, при этом должна загореться сигнальная лампочка. Прибор будет готов к работе после 30-минутного прогрева. 2. Получите у преподавателя образцы диэлектриков для измере- ний. 3. После прогрева производится калибровка прибора, для чего, установив переключатель «Частота kHz/MHz» на требуемый поддиапа- зон, ручкой «Частота kHz/MHz» поставьте стрелку на нужную частоту. Переключатель «ΔQ – Q»поставьте в положение «Q», а тумблер «Изме- рение-калибровка Q » — в положение «Калибровка Q ». Ручкой «Ка- либровка Q » стрелка измерительного прибора устанавливается точно на риску под знаком ― ‖. После этого тумблер ―Измерение-калибровка Q ‖ ставится в положение ―Измерение‖. Прибор готов к измерениям. 4. Из комплекта индуктивных катушек подберите такую, которая может резонировать на частоте измерения (диапазон частот указан на ка- тушке), и подключите ее к клеммам «L». 5. Настройте измерительный контур в резонанс. Для этого нажати- ем кнопки ― ‖ изменяйте емкость конденсатора переменной емкости, добиваясь максимального значения Q. В случае необходимости нужно перейти на другой диапазон Q. Точная настройка контура в резонанс проводится нониусным конденсатором. Проведите калибровку в соот- ветствии с п. 3 Порядка проведения работы, зафиксируйте (запишите) полученные значения С 1 и Q 1 . 6. К клеммам С х подключите исследуемый образец. Контур вновь настройте в резонанс, произведите калибровку и зафиксируйте значения С 2 и Q 2 . Внимание! При работе на шкалах Q ―300‖ и ―1000‖ необходимо предварительно включить переключатель ― Q – Q‖в положение ― Q >‖ и ручкой ―Нуль Q‖ установить стрелку указателя Q на отметку ―0‖. 7. После выполнения всего объема измерений для завершения ра- боты необходимо выполнить следующие операции. 7.1. Снять образцовую индуктивную катушку и уложить ее в кон- тейнер. |