DE1920892C3 - Method and measuring arrangement for determining the relative permittivity and the dielectric loss factor of insulating materials at low frequencies - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Bestimmung der Diclektrmtätszahl und des dielektrischen Verlustfaktors von Isolierstoffen bei Frequenzen unterhalb von 1 Hz.The invention relates to a method and a measuring arrangement to determine the dielectric constant and the dielectric loss factor of insulating materials at frequencies below 1 Hz.

Für die Erforschung der Struktur und für den technischen Einsatz von Isolierstoffen ist die Bestimmung der dielektrischen Stoffgrößen, Dielektrizitätszahl und Verlustfaktor in einem großen Frequenzbereich erforderlich. For the research of the structure and for the technical use of insulating materials is the determination the dielectric material size, relative permittivity and dissipation factor in a large frequency range.

Hierzu sind für das Frequenzgebiet oberhalb son Hz zahlreiche Nieder-, Mittel- und Hochfrequenzrneßmethoden bekannt. Für alle Präzisionsmethoden besteht dabei das Meßprinzip darin, daß die an dem mit dem Isolierstoff gefüllten Probenkondensalor angelegte Spannung — oder der durch den Probenkondensator fließende Strom — nach Betrag und Phase korn- pensiert wird, wobei die erforderliche Gegenspannung — der Gegenstrom — in einer geeigneten Kom pensationsschaltung mit Hilfe variabler geeichter Schaltelemente erzeugt wird. Bei den vollständig abgleichbaren Brücken lassen sich die beiden Be- Stimmungsstücke (Kapazität C und Verlustfaktor tanf5) des Probenkondensators aus den Werten von zwei Schaltelementen im Abgleichsfall berechnen, während bei den unvollständig abgleichbaren Brücken und den Resonanzmethoden nur die Kapazität kompensiert und der Verlustfaktor aus einer Restspannung bei Abgleich ermittelt wird. For this purpose, numerous low, medium and high frequency measurement methods are known for the frequency range above son Hz. For all precision methods, the measuring principle consists in the fact that the voltage applied to the sample capacitor filled with the insulating material - or the current flowing through the sample capacitor - is compensated according to amount and phase, whereby the required counter voltage - the counter current - is compensated in a suitable com compensation circuit is generated with the help of variable calibrated switching elements. In the case of the fully adjustable bridges, the two tuning pieces (capacitance C and loss factor tanf5) of the sample capacitor can be calculated from the values of two switching elements in the case of adjustment, while in the incompletely adjustable bridges and the resonance methods, only the capacitance is compensated and the loss factor is compensated from a residual voltage is determined during comparison.

Bei allen diesen Methoden wird vielfach zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ein erneuter Abgleich der Meßschaltung durchgeführt, nachdem der Probenkondensator durch einen verlustireien Normalkondensator gleicher Kapazität ersetzt wurde (rogenanntes Substitutionsverfahren).In all of these methods, a renewed adjustment of the Measurement circuit carried out after the sample capacitor was replaced by a lossy normal capacitor of the same capacity (so-called Substitution procedure).

Diese für Frequenzen oberhalb von etwa 1 Hz bewährten Kompensationsmethoden sind unterhalb von 1 Hz praktisch nicht mehr anwendbar, weil die zur Durchführung des Abgleichs erforderliche Zeit dann jeies vertretbare Maß überschreitet. Für diesen Bereich ultratiefer Frequenzen kommen deshalb nur Meßverfahren in Betracht, welche auf einer direkten Erfassung des zeitlichen Verlaufes von Spannung und Strom am Probenkondensator beruhen. These compensation methods, which have been tried and tested for frequencies above about 1 Hz, can no longer be used in practice below 1 Hz, because the time required to carry out the adjustment then exceeds any acceptable level. For this range of ultra-low frequencies, therefore, only measurement methods that are based on a direct detection of the time course of voltage and current on the sample capacitor come into consideration.

Es ist bekannt, zu diesem Zweck die ultratieffrequente Spannung an eine Reihenschaltung des Probenkondensators und eines ohmschen Widerstandes zu legen, über dem eine dem Strom durch den Probenkondensator proportionale Spannung abgegriffen wird. Die Eingangsspannung und die stromproportionale Spannung am Re'.henwiderstand werden bei den bekannten Verfahren mit Hilfe von Schreibern oder digitalen Methoden erfaßt und damit einer Auswertung hinsichtlich Amplitude und Phase zugänglich gemacht.It is known to use the ultra-low frequency for this purpose Voltage to a series circuit of the sample capacitor and an ohmic resistor over which a voltage proportional to the current through the sample capacitor is tapped. The input voltage and the voltage proportional to the current at the Re'.henharz are used in the known Process recorded with the help of recorders or digital methods and thus an evaluation made accessible in terms of amplitude and phase.

Nachteilig sind die relativ großen Meßfehler, die sich bei Anwendung dieses Verfahrens zur Ermittlung der dielektrischen Kennwerte von Isolierstoffen ergeben. Denn die dabei auftretenden Probenkapazitäten liegen in der Größenordnung von iOO pF, was bei Frequenzen unterhalb von 1 Hz einem Scheinwiderstand der Meßprobe von > 10⁹ Ohm entspricht. Dies bedeutet, daß der zur Strommessung erforderliche Reihenvviderstand > 10⁶ Ohm sein muß und damit in einem Bereich liegt, in dem Präzisionswiderstände nicht mehr verfügbar sind, so daß eine exakte Strommessung nach Amplitude und Phase nicht mehr möglich ist.The disadvantage is the relatively large measurement errors that result when this method is used to determine the dielectric properties of insulating materials. This is because the sample capacities that occur are in the order of magnitude of 100 pF, which corresponds to an impedance of> 10 ⁹ ohms in the test sample at frequencies below 1 Hz. This means that the series resistance required for current measurement must be> 10 ⁶ ohms and is therefore in a range in which precision resistors are no longer available, so that an exact current measurement according to amplitude and phase is no longer possible.

Die Erfindung bezweckt die genauere Bestimmung der Dielektiizitäts/ahl und des Verlustfaktors von Isolierstoffen bei Frequenzen unterhalb von 1 Hz, indem die bisher durch die Ungenauigkeit der Erfassung des Zeit\crlaufcs des Stromes bedingten Meßf:hler der Kapazität und des Verlustwinkels des Meßobjektes wesentlich reduziert werden.The invention aims to more precisely determine the dielectricity and the loss factor of insulating materials at frequencies below 1 Hz, by the inaccuracy of the detection of the Time-dependent measuring sensors of the capacitance and the loss angle of the measuring object can be significantly reduced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Meßanordnung zur Bestimmung der Dielektrizitätszahl und des dielektrischen Verlustfaktors von Isolierstoffen bei Frequenzen unterhalb von I Hz. unter Verwendung eines als Meßzelle dienenden Schutzringkondensators und eines dazu in Reihe liegenden ohmschen Widerstandes zur stromproportionalen Spannungsentnahme zu entwickeln. The invention is based on the object of a method and a measuring arrangement suitable for carrying out the method for determining the dielectric constant and the dielectric loss factor of insulating materials at frequencies below I Hz using a guard ring capacitor serving as a measuring cell and an ohmic resistor in series to develop current-proportional voltage extraction.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der Kapazität des Schutzringkondensators dieser durch einen variablen Normalkondensator substituiert und dessen Wert so eingeregelt wird, daß durch den Normalkondensator der gleiche Maximalstrom fließt wie vorher durch den Schutzringkondensator, während der Verlustwinkel unmittelbar aus den Zeitdifferenzen der durch Impulse markierten Nulldurchgänge von Generatorspannung und strom- According to the invention, the object is achieved in that, to determine the capacitance of the guard ring capacitor, it is substituted by a variable normal capacitor and its value is adjusted so that the same maximum current flows through the normal capacitor as before through the guard ring capacitor, while the loss angle is directly derived from the time differences of the through Pulses marked zero crossings of generator voltage and current

proportionaler Spannung am ohmschen Reihenwiderstand vor und nach der Substitution gewonnen wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient eine Meßanordnung bestehend aus Generator, Schwingkondensatorelektrometer, Zweikanal-Impulsformer, Zeitmeßgerät und einem Meßkreis, der so angeordnet ist, daß die Ausgangsspannung des Generators über der Reihenschaltung von Schutzringkondensator und einem Kochohmwiderstand liegt, wobei der Schutzringkondensator wahlweise durch einen regelbaren Normalkondensator substituiert wird und die über dem Hochohmwiderstand auftretende Spannung nach Verstärkung durch ein Schwingkondensatorelektrometer auf den vor der Substitution gemessenen Wert eingeregelt und in ihrer Phasenlage gegenüber der Generatorspannung vor und nach der Substitution mit Hilfe eines ZweKtanal-Impulsformers und eines Zeitmeßgerätes bestimmt wird. proportional voltage at the ohmic series resistor is obtained before and after the substitution. To carry out the method according to the invention, a measuring arrangement consisting of a generator, oscillating capacitor electrometer, two-channel pulse shaper, timing device and a measuring circuit which is arranged so that the output voltage of the generator is across the series connection of the guard ring capacitor and a cooking resistance, the guard ring capacitor optionally by a controllable one Normal capacitor is substituted and the voltage that occurs across the high-resistance resistor, after amplification by an oscillating capacitor electrometer, is adjusted to the value measured before the substitution and its phase position relative to the generator voltage is determined before and after the substitution with the help of a two-channel pulse shaper and a timing device.

Die Erfindung ist in bezug auf ihre Meßgenauigkeit clen bekannten Verfahren überlegen, da die absolute Messung der Spannung am Probenkondensator und insbesondere des Stromes durch der. Probenkondensator vermieden wird. Dafür findet eiri Substitulionsvcrfahren Verwendung, dessen Abglcichsweise im Gegensatz zu den bei höheren Frequenzen üblichen Methoden, bei denen man sich dem Abgleichsfall iterativ nähert, auch bei beliebig tiefer Frequenz anwendbar ist. Denn im vorliegenden Fall besteht der Abgleich in der Reproduzierung eines maximalen Spannungswertes, der wegen des linearen Zusammenlhanges zwischen der Kapazität des Normalkondensators und der stromproportionalen Ausgangsspannung bereits beim zweiten Abgleichsschritt einstellbar ist. In terms of its measurement accuracy, the invention is superior to the known method, since the absolute measurement of the voltage across the sample capacitor and in particular of the current through the. Sample capacitor is avoided. A substitution method is used for this, the comparison of which, in contrast to the methods customary at higher frequencies, in which one approaches the comparison case iteratively, can also be used at any lower frequency. Because in the present case the adjustment consists in the reproduction of a maximum voltage value, which can already be set in the second adjustment step due to the linear relationship between the capacitance of the normal capacitor and the output voltage proportional to the current.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild der Meßanordnung.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The drawing shows a block diagram of the measuring arrangement.

Die tieffrequente Sinusspannung U₀ des Generatori 1 liegt zunächst in Schaltstellung a des Schalters 8 über einer Reihenschaltung von Probenkondensator 5 (Scheinwiderstand \RJ\) und Hocbobmwiderstand 7 (R). Dabei wird R < |«,| gewählt, so daß die über R abfallende Spannung U sehr klein gegenüber der Spannung U₀ ist (|il| < |ll_o|). Dadurch wird der Strom 3d praktisch nur vom Proben kondensator 5 bestimmt, wobei Betrag und Phasenlage von % durch die Spannung U gekennzeichnet sind. Ferner wird dadurch erreicht, daß das Potential des Schutzringes 9 mit dem der geschützten Elektrode 10 übereinstimmt. Um die über dem Hochohmwiderstand 7 auftretende Spannung U der Messung zugänglich zu machen, wird sie dem Schwingkondensatorelektrometer 2 zugeführt, an dessen Ausgang nach Impedanzwandlung die mit einem üblichen Drehspulinstrument oder Schreiber meßbare Spannung U' auftritt. Zur Bestimmung der Probenkapazität C_x des Probenkondensators 5 wird in Schaltstellung α die Spannung |U'| abgelesen und danach in Schaltstellung b die Kapazität C_n des Nor malkondensators 6 so eingestellt (C_n = Cna), daß lU'i denselben Wert wie in Schaltstellung α hat.The low-frequency sinusoidal voltage U ₀ of generator 1 is initially in switch position a of switch 8 via a series connection of sample capacitor 5 (impedance \ RJ \) and high resistance 7 (R). Here, R < | «, | selected so that the voltage U dropping across R is very small compared to the voltage U ₀ (| il | < | ll _o |). As a result, the current 3d is practically only determined by the sample capacitor 5, the amount and phase position of % being characterized by the voltage U. This also ensures that the potential of the protective ring 9 corresponds to that of the protected electrode 10. In order to make the voltage U appearing across the high-ohmic resistor 7 accessible for measurement, it is fed to the oscillating capacitor electrometer 2, at the output of which, after impedance conversion, the voltage U 'which can be measured with a conventional moving-coil instrument or recorder appears. To determine the sample capacity C _x of the sample capacitor 5 is in the switching position α, the voltage | U '| read and then in switch position b, the capacitance C _{n of} the normal capacitor 6 set so (C _n = Cna) that lU'i has the same value as in switch position α.

In diesem Fall gilt für die Größe von C_x die einfache BeziehungIn this case, the simple relationship holds for the size of C _x

f- Cnq f- Cnq

[I + tan'o [I + tan'o

Zur Bestimmung des Verlustwinkels δ wird die Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen von Generatorspannung U_n und Ausgangsspanriung U' des Schsvingkondensatorelekirometers 2 vor und nach der Substitution (.1 t_a und Λ t>,) mit Hilfe des Zeitmeiigerätes 4 gemessen. Die dafür erforderliche Markierung der Nulldurchgänge erfolgt in dem Zweikanal-Impulsformer 3. Der Verlustwinkel ergibt sich aus den Meßwerten Λ t_a und .1 tb nach der BeziehungTo determine the loss angle δ , the time difference between the zero crossings of the generator voltage U _n and the output voltage U 'of the Schsving capacitor electrometer 2 before and after the substitution (.1 t _a and Λ t>,) is measured with the help of the timing device 4. The marking of the zero crossings required for this takes place in the two-channel pulse shaper 3. The loss angle results from the measured values Λ t _a and .1 tb according to the relationship

d = 2jt/(J /6-/1 la)
wobei / für die Meßfrequenz steht. d = 2jt / (J / 6- / 1 la)
where / stands for the measuring frequency.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1, Verfahren zur Bestimmung der DielektrizitätszahJ und des dielektrischen Verlustfaktors von Isolierstoffen bei Frequenzen unterhalb von 1 Hz unter Verwendung eines als Meßzelle dienenden Schulzringkondensators und eines dazu in Reihe liegenden ohmschen Widerstandes zur stromproportionalen Spannungsentnahme, dadurch gekenn-io zeichnet, daß zur Bestimmung der Kapazität des Schutzringkondensators dieser durch einen variablen Normalkondensator substituiert und dessen Wert so eingeregelt wird, daß durch den Normalkondensator der gleiche Maximalstrom fließt wie vorher durch den Schutzringkondensator, während der Verlustwinkel unmittelbar aus den Zeitdifferenzen der durch Impulse markierten Nulldurchgänge von Generatorspannung und strompropoftonaler Spannung am ohmschen Rdhenwiderstand vor und nach der Substitution gewonnen wird.1, Procedure for determining the dielectric constantJ and the dielectric loss factor of insulating materials at frequencies below 1 Hz Use of a Schulz ring capacitor serving as a measuring cell and an ohmic resistor in series with the current proportional Voltage extraction, characterized in that it is used to determine the capacitance of the guard ring capacitor this is substituted by a variable normal capacitor and its value is adjusted so that the same maximum current through the normal capacitor flows through the guard ring capacitor as before, while the loss angle directly from the Time differences between the zero crossings of generator voltage and marked by pulses current propoftonal voltage at the ohmic wire resistance gained before and after the substitution will. 2. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus Generator, Schwingkondensatorelektrometer, Zweikanai-Impulsformer, Zeitmeßgerät und einem Meßkreis, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Generators (1) über der Reihenschaltung vom Schutzringkondensator (5) und einem Hochohrnwiderstand ('/; liegt, v.obei der Schutzringkondensator wahlweise durch einen regelbaren Normalkondensator (6) substituiert wird und die über dem Hochohm widerstand (7) auitret nde Spannung nach Verstärkung durch ein Schwingkondensatorelcktrometer (2) auf den von der Substitution gemessenen Wert eingeregelt und in ihrer Phasenlage gegenüber der Generatorspannung vor und nach der Substitution mit Hilfe eines Zweikanal-Impulsformers (3) und eines Zeitmel3gerätes (4) bestimmt wird.2. Measuring arrangement for carrying out the method according to claim 1, consisting of generator, oscillating capacitor electrometer, two-channel pulse shaper, Timepiece and a measuring circuit, characterized in that the output voltage of the generator (1) via the series connection of the guard ring capacitor (5) and a high ear resistor ('/; lies, v. with the guard ring capacitor is optionally substituted by an adjustable normal capacitor (6) and the above High resistance (7) voltage emerging after amplification by an oscillating capacitor leakage meter (2) adjusted to the value measured by the substitution and in their phase relation the generator voltage before and after the substitution with the help of a two-channel pulse shaper (3) and a timer (4) is determined.