CN102043098B - 一种弹性接触式三电极装置 - Google Patents

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Abstract

一种弹性接触式三电极装置，涉及一种电气绝缘材料的介电常数与损耗角正切的测量设备。包括与平衡电桥高压端H连接的高压电极(1)及上面的被测试样(2)，被测试样(2)上面有测量电极(13)和与平衡电桥保护端G连接的屏蔽电极(3)，特点是测量电极(13)的顶端有金属波纹管(12)，波纹管套件(11)，绝缘支撑(10)及与平衡电桥的测量端M连接的测量端接线插座(9)，屏蔽电极(3)通过螺接的屏蔽电极联接环(4)与上屏蔽电极(6)，上屏蔽电极盖板(7)以及配重(8)连接，测量电极(13)与屏蔽电极(3)之间有测量电极定位环(5)。本发明测量精度高，适用于小损耗介质的较厚的薄膜或者薄平板。

Description

一种弹性接触式三电极装置
技术领域
一种弹性接触式三电极装置，涉及一种测量电气绝缘材料的介电常数与损耗角正切的平衡电桥中的接触式三电极装置。
背景技术
用平衡电桥测量工频下绝缘介质的电容率与损耗角正切，有较高的测量灵敏度与较高的测量精度，因此在电工绝缘行业中应用较为广泛。相应的中国国家标准(GB1409-88)与IEC标准(IEC 250-1969)和美国ASTM标准(ASTM D 150-98(2004))建议的测量电极均采用三电极系统。但是，至今为止，简单的三电极系统是由圆柱形的测量极与圆环形的保护极构成。由于上述三电极系统的测量极是不带屏蔽的，在测量时易受外界电磁干扰，因而影响测量精度，尤其是影响损耗角正切的测量精度，在对于一些小损耗的绝缘材料，如聚乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯的测量无法得到有意义的测量数据，在测量与研究纳米复合介质时更是由于测量精度不高而使研究人员对于实验结果感到混乱。
瑞士的HAEFELY TEST AG出产的TETTEX 2914Precision Test Cell for SolidInsulants三电极装置能够较好地进行绝缘介质的介电常数与损耗角正切的测量，但它的结构复杂，造价昂贵。更主要的是，由于它的测量极与保护环是紧密固定在一个平面上的，因此，如果待测试样达不到理想平整，会出现测量面积内的小气隙，使测量所得到的电容值与损耗值偏小。为防止出现这种情况，采用了加大压力的办法，力求测量电极与试样紧密接触，但可能会引起试样不必要的变形，而且测量装置的整体结构很复杂。
美国Agilent公司出产的配套附件Agilent 16451B介质测试夹具中也有一组三电极装置，使用的测量极与保护极是固定的，间隙很小，约为0.2mm，且不在同一个平面上，保护极略为缩进，这样避免了在待测试样不是很理想平整的情况下，在测量面积内可能会出现小气隙的问题，但这种电极的空电极介质损耗偏大，不能够用于准确测量介质损耗很小的材料。US2004232923A1通过多个传感器相对位置的排列和反馈回路，测量液体的电导率与温度。
发明内容
本发明的目的是设计一种结构简单，测量精度高的用于测量电气绝缘材料的介电常数与损耗角正切的接触式三电极装置。
为了达到上述目的，本发明的接触式三电极装置设有良好的屏蔽功能，适用于平衡电桥测量，如电容电桥，低压西林电桥，变压器电桥等，同时，适用的试样是较厚的薄膜或者薄平板，样品直径为74毫米。本发明的测量极与保护极之间不是紧密固定的，而是通过金属波纹管柔性联接，因此避免了测量极与试样接触不紧密的问题。同时，它的保护极间隙内的固体介质尽量少，使电极的空电极损耗值非常小，能够有效地应用于小损耗介质的测量。
本发明的带良好屏蔽的接触式三电极装置的具体结构如下：
包括与平衡电桥高压端H连接的高压电极，高压电极上面放置被测试样，被测试样上面中心放置测量电极，其外周套有屏蔽电极，屏蔽电极为保护环电极，与平衡电桥的保护端G连接，其特点是：测量电极的形状为顶部中间有凸台的圆柱体，测量电极的圆柱体的外周套有屏蔽电极，屏蔽电极外面螺接聚四氟乙烯材质的屏蔽电极联接环，屏蔽电极联接环顶端放置上屏蔽电极，上屏蔽电极顶端螺接上屏蔽电极盖板，上屏蔽电极盖板上面压有配重，以保证电极与试样接触良好；测量电极的凸台的外围安装测量电极定位环，测量电极的凸台的顶端安装金属波纹管，以保证测量电极与被测试样的接触良好，并且降低杂散电感，金属波纹管上顶端安装波纹管套件，波纹管套件顶端安装绝缘支撑，绝缘支撑上安装测量端接线插座，测量端接线插座为同轴屏蔽插座，与平衡电桥的测量端M连接。
本发明的优点如下：
1.由于本发明测量电极与屏蔽电极、屏蔽电极连接环、上屏蔽电极、上屏蔽电极盖板之间通过金属波纹管柔性联接，因此避免了测量电极与试样接触不紧密的问题，使测量所得到的电容值与损耗值非常精确。
2.本发明的保护极包括屏蔽电极、屏蔽电极连接环、上屏蔽电极、上屏蔽电极盖板这几部分，由于本发明的测量电极与保护极之间不是紧密固定的，而是柔性联接的，因此，它的保护极间隙内的固体介质尽量少，使测量的损耗值非常小，能够有效地应用于小损耗介质的测量。
3.使用本发明使待测试样达到理想平整，不会出现测量面积内的小气隙，因此，适用较厚的薄膜或者薄平板，样品直径为74毫米的试样的测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为用本发明装置测量绝缘材料的电容率与损耗角正切的平衡电桥的电路结构示意图
图中1-高压电极；2-被测试样；3-屏蔽电极；4-屏蔽电极联接环；5-测量电极定位环；6-上屏蔽电极；7-上屏蔽电极盖板；8-配重；9-测量端接线插座；10-绝缘支撑；11-波纹管套件；12-金属波纹管；13-测量电极；H-平衡电桥的高压端；M-平衡电桥的测量端；G-平衡电桥的保护端。
具体实施方法
实施例1
请参阅图1。制作本发明的直径74毫米的测量绝缘介质的电容率与损耗角正切的接触式三电极装置，该装置为屏蔽接触式三电极结构。测量电极13的直径为49毫米，屏蔽电极3的内径为51毫米，测量电极的等效直径为50毫米：
与平衡电桥的高压端H连接的高压电极1上面放置被测试样2，被测试样2上面的中心处放置测量电极13，测量电极13的形状为顶部有凸台的圆柱体，其圆柱体外周套有圆环形的屏蔽电极3，屏蔽电极3为保护环电极，屏蔽电极3的圆环顶部内周切掉一圈，底部外周向外扩出一个台阶，台阶上安装不锈钢的屏蔽电极联接环4，且屏蔽电极联接环4与屏蔽电极3螺接。屏蔽电极联接环4顶端放置上屏蔽电极6，上屏蔽电极6的顶端螺接上屏蔽电极盖板7，上屏蔽电极盖板7上面压有配重8。上屏蔽电极盖板7与平衡电桥的保护端G连接，将电流传递给地面，以便保护平衡电桥。
测量电极13的凸台处套入凸台安装有测量电极定位环5，测量电极定位环5中心开设通孔，圆环底面设有一圈榫头，榫头的宽度和深度大小尺寸与测量电极13与屏蔽电极3顶部间隙匹配，将一圈榫头嵌入测量电极13与屏蔽电极3顶部间隙中，就能隔绝测量电极13与屏蔽电极3连接，保证平衡电桥不会短路。测量电极13凸台的顶端安装金属波纹管12，金属波纹管12上顶端安装波纹管套件11，波纹管套件11顶端安装圆环形的绝缘支撑10，绝缘支撑10上安装测量端接线插座9，测量端接线插座9的顶端压住上屏蔽电极盖板7，当上屏蔽电极盖板7上面压有配重8，能保证测量电极13与被测试样2接触良好，并且降低杂散电感。测量端接线插座9为同轴屏蔽插座，与平衡电桥的测量端M连接。
工作原理
请参阅图2。平衡电桥为市售商品，图中：R4为不可调节的主桥壁之一；R3为可调节的主桥壁之一；C4为可调节主桥壁之一；ZH为可调节的辅助桥壁；协调调节C4，R3，ZH可使电桥处于最佳的平衡状态；ZF为辅助桥壁；S为测量表。
将被测试样2放在在高压电极1上面，将测量电极13和上屏蔽电极3分别放在被测试样2上，并使之尽量同心，在上屏蔽电极3的外面，螺接屏蔽电极联接环4。将上测量电极定位环5套入测量电极13的凸台上，并且使测量电极定位环5的圆环底面的一圈榫头嵌入测量电极13与屏蔽电极3顶部间隙中。屏蔽电极联接环4放置上屏蔽电极6。上屏蔽电极6顶端螺接上屏蔽电极盖板7。测量电极13凸台的顶端安装金属波纹管12，金属波纹管12上顶端安装波纹管套件11，波纹管套件11顶端安装圆环形的绝缘支撑10，绝缘支撑10上安装测量端接线插座9，测量端接线插座9的顶端压住上屏蔽电极盖板7，当上屏蔽电极盖板7上面压有配重8时，完成测量的准备。然后，将本发明的直径74毫米的屏蔽接触式三电极装置连接到平衡电桥中，其中本发明的高压电极1与平衡电桥的高压端H连接，测量端接线插座9与平衡电桥的测量端M连接，上屏蔽电极盖板7与平衡电桥的保护端G连接。
接通电源，加上测量电压(电压值取决于试样厚度与电桥种类，通常在100V至2000V之间)，调节电桥的C4，R3，并在平衡电桥上设定的桥臂CN的协调作用下使测量表S发生变化，直到测量表S的指针指向0，说明主电桥达到了平衡点，调节ZF使辅助桥臂也同时达到平衡，然后在平衡电桥的R3上读到的数据为损耗角正切值即为被测试样2的介质损耗角正切。但被测试样2的介电系数需经过换算，计算方法与计算公式如下：er＝Cx·d/17.38，式中d为试样厚度，单位为m，D为测量电极的等效直径，单位为m，Cx为测量所得到的被测试样2的电容值，单位为F。

Claims (1)

1.一种弹性接触式三电极装置，包括与平衡电桥的高压端H连接的高压电极(1)，高压电极(1)上面放置被测试样(2)，被测试样(2)上面放置测量电极(13)，测量电极(13)外周套有与其保持间隙的屏蔽电极(3)，屏蔽电极(3)为保护环电极，屏蔽电极(3)的形状为顶部内周切掉一圈，底部外周扩出一个台阶，台阶上安装不锈钢的屏蔽电极联接环(4)，屏蔽电极联接环(4)与屏蔽电极(3)螺接，屏蔽电极联接环(4)顶端放置上屏蔽电极(6)，上屏蔽电极(6)顶端螺接上屏蔽电极盖板(7)，上屏蔽电极盖板(7)与平衡电桥的保护端G连接，将电流传递给地面，以便保护平衡电桥，上屏蔽电极盖板(7)上面压有配重(8)，以保证电极与试样接触良好，其特征是：测量电极(13)的形状为顶部有凸台的圆柱体，其圆柱体外周套有屏蔽电极(3)，圆柱体顶部且套入凸台有测量电极定位环(5)，测量电极定位环(5)材质为聚四氟乙烯，测量电极定位环(5)底面设有尺寸大小与测量电极(13)与屏蔽电极(3)顶部间隙匹配的一圈榫头，将一圈榫头嵌入测量电极(13)与屏蔽电极(3)顶部间隙，隔绝测量电极(13)与屏蔽电极(3)，保证不会短路；测量电极(13)凸台的顶端安装金属波纹管(12)，金属波纹管(12)上顶端安装波纹管套件(11)，波纹管套件(11)顶端安装绝缘支撑(10)，绝缘支撑(10)上安装测量端接线插座(9)，测量端接线插座(9)的顶端压住上屏蔽电极盖板(7)，能保证测量电极(13)与被测试样(2)接触良好，并且降低杂散电感；测量端接线插座(9)为同轴屏蔽插座，与平衡电桥的测量端M连接。
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