Лабник

Рис. 4. Тераомметр Е3-16А (внешний вид передней панели):

1 — ручка установки нуля точно; 2 — кнопка замыкателя входа; 3 — высокоомный измерительный вход; 4 — гнездо выходного напряжения; 5 — клемма для подключения экрана; 6 — выключатель питания; 7 — индикатор включения прибора; переключатель поддиапазонов измерения; 9 — корректор механического нуля; 10 — индикатор включения измерительного напряжения 10 В

1.Включите питание термостата («Сеть»). При этом обратите внимание, что цифровой индикатор должен показывать 15 С и должен светиться индикатор «Б».

2.Выдержите термостат во включенном состоянии в течение

10мин.

3.Нажмите кнопку 2 режима установки нуля тераомметра (рис. 4).

4.Установите с помощью механического корректора 9 стрелку показаний тераомметра на нулевую отметку шкалы.

5.Переведите выключатель питания 7 тераомметра в положение «СЕТЬ ВКЛ». При этом должна светиться лампочка индикации. Стрелка прибора должна позиционироваться на нулевую отметку шкалы в течение 1 мин.

6.Выдержите тераомметр включенным в течение 30 мин.

7.Выберите и включите требуемое напряжение измерения. Измерительное напряжение (10 или 100 В) выбирается на входных гнездах

13

тераомметра с помощью переключателя, расположенного на задней панели. При включении измерительного напряжения 10 В на передней панели тераомметра светится индикаторная лампочка « 0,1 [10 V]» (расположена на лицевой панели тераомметра справа, над индикатором «Сеть»). Это означает, что полученный по прибору результат измерения следует умножить на 0,1. Например, если переключатель поддиапазонов находится в положении 1010 Ом, переключатель напряжения измерения — 10 В, то при показании прибора «2» измеренное значение сопротивления будет равно 2 1010 0,1 = 2 109 Ом.

8.Измерения проводятся в поддиапазонах от 106 до 1013 Ом — по обратно пропорциональным шкалам (расположены в верхней части). Установите ручками «УСТ. 0 ГРУБО» и «УСТ. 0 ТОЧНО» (поз. 2, 1 на рис. 4) стрелку прибора на отметку «бесконечность» обратно пропорциональных шкал.

9.Проведите измерения объемного и поверхностного сопротивлений образца при комнатной температуре (начальное значение температуры внутри рабочей камеры термостата), для этого:

нажмите кнопку «Измер. Т» термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору;

переведите тумблер «Rv/Rs» приемной кассеты термостата в по-

ложение «Rv»;

переведите кнопку 2 замыкателя входа тераомметра «УСТ. 0» в отжатое положение.

Изменяя при необходимости поддиапазон измерения переключа-

телем 8 проведите отсчет Rv по шкале, соответствующей установленному поддиапазону.

Переведите тумблер «Rv/Rs» приемной кассеты термостата в положение «Rs» и, изменяя при необходимости поддиапазон измерения пе-

реключателем 8, проведите отсчет Rs по шкале, соответствующей установленному поддиапазону. Если переключатель поддиапазонов имеет множитель 3, то измерения проводите по нижней обратно пропорциональной шкале, если множитель равен 1, то по верхней шкале (рис. 5).

Внимание! 1. При переключениях на поддиапазонах измерения 1011…1013 Ом возможно зашкаливание стрелки тераомметра, время восстановления показания не более 30 с.

2. После окончания измерений кнопкой «УСТАНОВКА Т –» установите минимальную температуру, не допускайте длительной работы термостата при температурах свыше 100 С.

3. После двухчасовой непрерывной работы выключите термостат на время не менее 30 мин.

14

Рис. 5. Циферблат шкалы тераомметра:

1 — шкала для диапазонов с множителем 1; 2 — шкала для диапазонов с множителем 3

Контрольные вопросы

1.Чем вызвана электропроводность диэлектриков? Что является носителями тока в твердых диэлектриках? В чем состоит природа сквозного тока (тока утечки), тока смещения, тока абсорбции? Что такое удельное поверхностное и удельное объемное сопротивления?

2.Какой общей закономерности подчиняется зависимость изменения удельного сопротивления диэлектриков от температуры?

3.От каких факторов зависит удельное поверхностное сопротивление диэлектриков?

4.В чем состоит методика измерений удельного объемного и удельного поверхностного сопротивлений?

5.Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, асбестоцемент, лакоткань, почему удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления таких материалов различаются?

Список литературы

1.Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. — М.: Высш. шк., 2007. — 535 с. (гл. 3, гл.7)

2.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с.

15

Лабораторная работа № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Цель работы — изучение стандартных методов определения диэлектрической проницаемости ε и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ твердых диэлектриков на токе переменной частоты и определение ε и tgδ различных материалов в зависимости от различных условий окружающей среды.

Общие положения

Под диэлектрическими потерями понимают обычно мощность, рассеиваемую в электрической изоляции, находящейся в переменном электрическом поле. Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способны к такому рассеянию. Только идеальный диэлектрик может обеспечить электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет проходить чисто реактивный, емкостной ток. В изоляции из реальных изоляционных материалов ток I наряду с емкостной составляющей IС, будет

иметь и активную составляющую Ia, которая определяет величину диэлектрических потерь: P = U Ia. Поэтому вектор тока I опережает

вектор напряжения U на угол φ < 90 . Угол β, дополняющий φ до 90 , называется углом диэлектрических потерь, потому что чем больше

этот угол, тем больше составляющая Ia, а следовательно, и диэлектрические потери P.

Диэлектрические потери P (Вт) в образце электроизоляционного материала или в изоляции какой-либо конструкции с емкостью С (Ф) при действующем значении переменного синусоидального напряжения U (В) и круговой частоте ω (с–1) вычисляются по формуле

P = U 2 ω C tg δ.

Отсюда следует, что потери определяются величиной тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ), являющегося поэтому важной характеристикой как диэлектриков, так и изоляции конструкций (конденсаторов, электрических машин, кабелей и проводов), в особенности работающих при высоких напряжениях и частотах.

16

И тангенс угла диэлектрических потерь, и диэлектрическая проницаемость диэлектриков зависят от различных факторов, например частоты приложенного напряжения, температуры диэлектрика и др. Ярко выраженная зависимость tg δ от приложенного напряжения наблюдается у изоляции, содержащей газовые включения.

Домашнее задание

Изучите:

1)физические основы и характерные черты явления поляризации и чем обусловлены диэлектрические потери в твердых диэлектриках;

2)влияние окружающей среды на процесс поляризации и диэлектрические потери;

3)стандартные методы определения ε и tgδ при напряжении переменной частоты, устройство установки для определения емкости и тангенса диэлектрических потерь конденсаторов (измеритель RLC типа Е7-22) и порядок работы на установке;

4)требования к образцам материалов для определения ε и tgδ диэлектриков;

5)порядок проведения обработки результатов испытаний и оформления протокола по работе.

Описание лабораторной установки

1.Стенд состоит из термостата, обеспечивающего установку, измерение, автоматическую поддержку температуры образца диэлектрика и измерителя RLC (измерителя емкости и тангенса угла диэлектрических потерь) образца диэлектрика. По результатам измерения и с учетом размеров образца вычисляется его диэлектрическая проницаемость.

2.Нагрев осуществляется внутри рабочей камеры термостата, куда помещается кассета с исследуемым диэлектрическим образцом. Конструкция рабочей камеры термостата обеспечивает одинаковую температуру во всем рабочем объеме и равновесие между температурой образца и среды. Измерение, регулирование и поддержка заданного температурного режима осуществляется по показанию чувствительного термосопротивления, установленного стационарно внутри рабочей камеры термостата. Предварительная установка значения требуемой температуры производится с помощью кнопок на передней панели термостата с индикацией на цифровом 3-разрядном индикаторе, далее процесс разогрева (или остывания) до заданной температуры, а также ее поддержка осуществляется автоматически.

17

Контроль текущего температурного режима относительно заданного осуществляется тремя световыми индикаторами: «БОЛЬШЕ»; «НОРМА»; «МЕНЬШЕ». Также предусмотрена звуковая сигнализация при равенстве текущей температуры и заданной.

Значение текущей температуры выводится на цифровой 3-разряд- ный индикатор при нажатии кнопки «ИЗМЕР» на передней панели термостата.

3.Объектами исследования могут быть плоские образцы твердых диэлектриков круглой формы с заранее нанесенными на поверхность электродами или эластичные диэлектрики с нажимными сменными электродами. Расположение электродов на образце и их размеры приведены на рис. 1, а. Схема подключения электродов приведена на рис. 1, б.

4.Конструктивно термостат выполнен в виде настольного блока. Назначение органов управления и присоединительных разъемов приведено на рис. 2.

Рис. 1а. Внешний вид образца (объекта исследования)

Рис. 1б. Схема подключения образца к измерителю RLC

18

а)

б)

Рис. 2. Внешний вид термостата:

а — лицевая сторона панели; б — тыльная сторона панели:

1 — светодиод «БОЛЬШЕ»; 2 — светодиод «НОРМА»; 3 — светодиод «МЕНЬШЕ»; 4 — выключатель «СЕТЬ»; 5 — кнопка «ИЗМЕР», при нажатии которой на индикаторы выводится значение измеренной температуры в камере термостата; 6, 7 — кнопки для установки температуры в камере термостата; 8 — кассета для установки образца; 9 — выход соединительных шнуров с кассеты; 10 — зажимы; 11 — вилка для подключения сетевого шнура; 12 — держатели вставок плавких с вставками на ток 3, 15 А; 13 — клемма защитного заземления; 14 — вентиляционные отверстия

5. Кассета термостата выполнена в виде съемного узла и предназначена для подключения электродов диэлектрического образца к измерительной цепи и установки его в рабочей камере термостата. Электрический контакт с электродами образца осуществляется при помощи прижимных винтов.

Внимание! При длительной работе термостата в режиме нагрева свыше 100 ºС запрещается прикосновение к жалюзи вытяжной вентиляции расположенным на верхней крышке по избежание ожога. Время непрерывной работы термостата на должно превышать 2 ч, после чего его необходимо выключить на время не менее 30 мин.

19

Рабочее задание

1.Проведите измерения С и tgδ образцов на частотах 120 Гц и

1кГц в диапазоне температур от комнатной до 100 ºС с шагом 10 .

2.Для измеренных значений С определите относительную диэлектрическую проницаемость ε.

3.Постройте графики зависимостей ε и tgδ от температуры на частотах 120 Гц и 1 кГц. Определите, является ли данный вам образец полярным.

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 преподавателя 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 «ИЗМЕР» на передней панели термостата и измерьте значение температуры по цифровому индикатору;

б) нажатием на кнопку «L/C/R» на панели измерителя E7-22 выберите режим измерения «С». Подключите измеряемый компонент к измерителю. Установите необходимую частоту, на которой будут проводиться измерения, используя кнопку “ЧАСТ”. При каждом нажатии на кнопку 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 кнопку 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.

20

2.С помощью кнопок «УСТАНОВКА–»или «УСТАНОВКА+» задайте требуемую температуру нагрева термостата на цифровом индикаторе.

3.Контролируйте нагрев термостата до заданной температуры по состоянию светодиодных индикаторов: «БОЛЬШЕ»; «НОРМА»; «МЕНЬШЕ».

При зажигании светодиода «НОРМА» (дублируется звуковым сигналом) необходимо сделать выдержку 2…3 мин для обеспечения установившегося температурного режима внутри рабочей камеры термостата. 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 температуру кнопкой «УСТАНОВКА–» термостата, не допускайте длительной 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 ε диэлектрика с круглыми электродами (рис. 1, а) вычисляется по формуле

ε = Ch/(ε0S),

где C — емкость образца в Ф; h — толщина образца, м; S — площадь круглого электрода; ε0 = 8,85·10–12 Ф/м — электрическая постоянная.

Образец имеет следующие размеры: толщина — 2,5 мм; диаметр — 150 мм.

Контрольные вопросы

1.Какие виды поляризаций могут наблюдаться в твердых диэлектриках, что такое диэлектрическая проницаемость?

2.Какие поляризации сопровождаются диэлектрическими потерями?

3.Какие механизмы обусловливают диэлектрические потери, что такое мощность диэлектрических потерь и тангенс угла диэлектрических потерь?

21

4.Как зависят ε и tgδ от температуры, напряженности и частоты электрического поля?

5.Как рассчитать величину ε диэлектрического материала по измеренной емкости конденсатора?

6.Что представляют собой гетинакс, стеклотекстолит, стекло, керамика?

Список литературы

1.Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. — М.: Высш. шк., 2007. — 535 с. (гл. 2, гл. 3, гл. 7).

2.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.: Энергоатомиздат, 1985. — 304 с. (гл. 3; § 6.14, 6.16, 6.17).

3.Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных материалов и изделий. — Л.: Энергия, 1980. — 213 с. (Введение, гл. 3).

4.Бородулин В.Н. Диэлектрики. — М.: Издательство МЭИ, 1993. — 60 с. (гл. 3).

22