ГОСТ 8.358-79. Государственный стандарт Союза ССР. Государственная система обеспечения единства измерений. Методика выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь в диапазоне частот 0,2 — 1 ГГц
(утв. и введен в действие Постановлением Госстандарта СССР от 12.06.1979 № 2112)
Примечание
С 1 июля 2003 года до вступления в силу технических регламентов акты федеральных органов исполнительной власти в сфере технического регулирования носят рекомендательный характер и подлежат обязательному исполнению только в части, соответствующей целям, указанным в пункте 1 статьи 46 Федерального закона от 27.12.2002 № 184-ФЗ. Документ введен в действие с 1 июля 1980 года.
Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 12 июня 1979 г. № 2112
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0,2 \div 1 ГГц
State system for ensuring the uniformity of measurements. Method of making measurements of relative permittivity and dielectric loss tangent in the frequency range of 0,2 to 1 GHz
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 12 июня 1979 г. № 2112 срок введения установлен
РАЗРАБОТАН Государственным комитетом СССР по стандартам
Н.М. Карих, канд. техн. наук; Н.Л. Яцынина, канд. техн. наук
ВНЕСЕН Государственным комитетом СССР по стандартам
Член Госстандарта В.И. Кипаренко
УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 12 июня 1979 г. № 2112
Настоящий стандарт распространяется на твердые диэлектрические материалы толщиной не менее 0,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью \epsilon = 2 \div 20 и тангенсом угла диэлектрических потерь tg\delta 1·10-4 \div 1·10-1 и устанавливает методы измерений \epsilon и tg\delta этих материалов в диапазоне частот 0,2 \div 1,0 ГГц.
В стандарте учтены рекомендации СЭВ по стандартизации РС 604-66, стандарты МЭК 377-2 и ИСО 6-77 в части методов и средств измерений.
1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
1.1. Измерение относительной диэлектрической проницаемости \epsilon и тангенса угла диэлектрических потерь tg\delta производят следующими методами:
резонансным методом, основанным на использовании измерителей добротности, тороидальных резонаторов и коаксиальных резонаторов постоянной и переменной длины;
методом измерения в линиях передач, основанным на использовании коаксиальных измерительных систем.
1.2 Погрешность измерения при доверительной вероятности 0,95 не должна быть более:
\pm (1 \div 4)\% — для относительной диэлектрической проницаемости 2 \div 20;
\pm (20 + 0,005/tg\delta)\% — для тангенса угла диэлектрических потерь 1·10-4 \div 1·10-1.
2. ОТБОР ОБРАЗЦОВ
2.1. Порядок отбора образцов из партии и их подготовка к измерениям (увлажнение, сушка, выдержка) должны быть указаны в стандартах или технических условиях на материалы.
2.2. Число образцов для измерений указывают в стандартах или технических условиях на материалы конкретного вида. При отсутствии таких указаний число образцов должно быть не менее трех.
2.3 В зависимости от метода измерений образец должен быть выполнен:
в виде плоскопараллельного диска — при резонансном методе;
плоской коаксиальной шайбы — при методе измерения в линиях передач и резонансном методе.
2.4. Образец в виде плоскопараллельного диска должен быть выполнен в соответствии с черт. 1.
2.4.1. Толщина образца диэлектрика h при измерении посредством измерителей добротности зависит от значений тангенса угла диэлектрических потерь с учетом пределов измеряемых емкостей и должна быть не более 5 мм для tg\delta = 1 \cdot 10^{- 3} и 3 мм для tg\delta = 1 \cdot 10^{- 2} \div 1 \cdot 10^{- 1} .
2.4.2. Толщину образца диэлектрика h при измерении в тороидальном резонаторе выбирают любой в пределах от 0,5 до 2 мм независимо от значения тангенса угла диэлектрических потерь.
2.4.3. Толщину образца измеряют в семи точках, обозначенных на черт. 2.
При расчете берут среднее арифметическое значение всех измерений. Погрешность измерения толщин от 0,5 до 1 мм не должна превышать \pm 0,001 мм, свыше 1 мм — \pm 0,01 мм.
2.5. Образец в виде плоской коаксиальной шайбы должен быть выполнен в соответствии с черт. 3.
Размеры образцов для испытаний в коаксиальных трактах выбирают в соответствии с сечением тракта. Испытуемый образец запрессовывают в контактные кольца толщиной S для ликвидации погрешности за счет зазора между образцом и резонатором и для фиксации образца в максимуме электрического поля.
2.5.1 Толщина образца диэлектрика должна быть от 1 до 10 мм.
2.5.2. Толщину образца измеряют в семи точках, обозначенных на черт. 4, с погрешностью не более \pm 0,01 мм. При расчете берут среднее арифметическое значение всех измерений.
2.6. Квалитеты точности, классы шероховатости поверхности, степени отклонения от параллельности, цилиндричности, соосности при обработке неорганических и органических материалов выбирают из таблицы.
| Наименование параметра | Материалы | |
| неорганические | органические | |
| Квалитет точности по СТ СЭВ 145-75 | 3 | 7 |
| Класс шероховатости по ГОСТ 2789-73 | 11 | 7 |
| Отклонение от параллельности по ГОСТ 10356-63 | III | VI |
| Отклонение от плоскостности по ГОСТ 10356-63 | III | VII |
| Отклонение от цилиндричности по ГОСТ 10356-63 | IV | VII |
| Отклонение от соосности по ГОСТ 10356-63 | III | VI |
2.7 Наносить маркировку на поверхность образцов не допускается.
3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Средства измерений, используемые для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, и их основные технические характеристики приведены в справочном приложении 1.
Допускается применять другие средства измерений, работающие в диапазоне частот 0,2 \div 1 ГГц и удовлетворяющие требованиям п. 1.2 и техническим характеристикам, приведенным в справочном приложении 1.
3.2. Поверку средств измерений осуществляют стандартными образцами, аттестованными метрологическими органами Госстандарта в соответствии с ГОСТ 8.274-78.
3.3. Вспомогательные средства измерений и их основные технические характеристики приведены в справочном приложении 2.
4. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ
4.1. При проведении измерений измерителем добротности типа BM 409G (BN 409E) в комплекте с приставкой BP 4090 присоединяют их друг к другу в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
4.2. При проведении измерений приборами типов Ш2-4, ИПДП и КР-500 собирают установку, электрическая структурная схема которой приведена на черт. 5.
1 — генератор стандартных сигналов; 2 — стабилизатор; 3 — предельный аттенюатор; 4 — частотомер; 5 — развязывающее устройство (аттенюатор); 6 — фильтр нижних частот; 7 — резонатор; 8 — кристаллический детектор; 9 — измерительный усилитель
4.3. При проведении измерений на измерительной линии собирают установку, электрическая структурная схема которой приведена на черт. 6.
1 — генератор сигналов; 2 — развязывающее устройство (аттенюатор, вентиль); 3 — измерительная линия; 4 — индикаторный прибор; 5 — измерительная ячейка ДП
4.4. Подготавливают к работе основные и вспомогательные средства измерений.
4.5. При проведении измерений соблюдают нормальные условия по ГОСТ 22261-76.
4.6. Перед проведением измерений на приборе типа ИПДП проводят его частотную градуировку.
5. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1. Относительную диэлектрическую проницаемость \epsilon и тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta резонансным методом измеряют при помощи измерителя добротности, а также приборов типов ИПДП, КР-500 и Ш2-4.
5.1.1 Измерения при помощи измерителя добротности выполняют в последовательности, приведенной ниже:
устанавливают рабочую частоту измерителя добротности;
помещают образец диэлектрика в измерительную ячейку приставки BP 4090;
настраивают прибор в резонанс по максимальному отклонению стрелки индикатора;
снимают показания по отсчетному устройству приставки d1, по шкале измерительного конденсатора C и по шкале измерителя добротности Q1;
вынимают образец и настраивают прибор в резонанс изменением положения подвижного электрода измерительной ячейки;
снимают показания по отсчетному устройству измерительной ячейки d2 и по шкале измерителя добротности Q2.
5.1.2 Измерение при помощи прибора типа ИПДП выполняют в последовательности, приведенной ниже:
устанавливают рабочую частоту генератора при помощи частотомера;
помещают образец диэлектрика в резонатор и настраивают его на рабочую частоту по максимальному отклонению стрелки индикатора;
по отсчетным устройствам снимают показания, соответствующие положению максимума d1 и ширине резонансной кривой l1 — l2 на уровне 1/2 от показания индикатора при резонансе. Положение максимума определяют методом «вилки»;
вынимают образец и настраивают резонатор по максимальному отклонению стрелки индикатора;
по отсчетным устройствам снимают показания, соответствующие положению максимума d1 и ширине резонансной кривой l1 — l2 на уровне 1/2 от показания индикатора при резонансе. Положение максимума определяют методом «вилки».
5.1.3 Измерение при помощи прибора типа КР-500 выполняют в последовательности, приведенной ниже:
настраивают прибор в резонанс по максимальному отклонению стрелки индикатора изменением частоты генератора и снимают показания частотомера, соответствующие максимальному отклонению стрелки индикатора f2рез и ширине резонансной кривой на уровне 1/5 от показания индикатора при резонансе \Delta f_{2} ;
помещают в резонатор образец, повторяют операции, перечисленные выше, снимают показания f1рез и \Delta f_{1} .
5.1.4 Измерение при помощи прибора типа Ш2-4 выполняют в последовательности, приведенной ниже:
определяют электрическую длину L, добротность резонатора Q2x, положение максимума \alpha_{2} и ширину \Delta l_{2} резонансной кривой пустого резонатора;
помещают образец диэлектрика в резонатор и снимают показания, соответствующие положению максимума \alpha_{1} и ширине \Delta l_{1} резонансной кривой на уровне 1/2 от показания индикатора при резонансе.
5.2. Относительную диэлектрическую проницаемость \epsilon и тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta методом измерений в линиях передач определяют в последовательности, приведенной ниже:
помещают образец диэлектрика в измерительную ячейку ДП и присоединяют ее к измерительной линии;
определяют значение коэффициента стоячей волны напряжения и смещение минимума кривой распределения напряжения Xк; помещают образец диэлектрика в измерительную ячейку ДП на расстоянии \lambda/4 от короткозамыкателя и присоединяют ячейку к измерительной линии;
определяют значение коэффициента стоячей волны напряжения KckVк и смещение минимума кривой распределения напряжения вдоль линии Xх.
6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
6.1 Измерение при помощи измерителя добротности
6.1.1. Диэлектрическую проницаемость \epsilon для образцов диаметром, равным диаметру электродов, определяют по формуле
\epsilon = \frac{h}{(h - d_{1} + d_{2}) - \eta d_{2}(d_{1} - h)} (1 + \eta d_{2}), (1)
\eta = \frac{1}{\pi r} (ln \frac{d_{1}^{2}(0,5 + d_{2})}{d_{2}^{2}(0,5 + d_{1})} - \frac{0,5}{d_{2}} ln \frac{0,5 + d_{2}}{0,5} - \frac{0,5}{d_{1}} ln \frac{0,5 + d_{1}}{0,5}),
где h — толщина образца диэлектрика, см;
d1, d2 - расстояние между электродами измерительной ячейки с образцом и без него, см.
6.1.2 Тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta для образцов, равных по диаметру электродам, вычисляют по формуле
tg\delta = \frac{(Q_{2} - Q_{1})(C + 1,3)bd_{2}}{17,36Q_{1} \cdot Q_{2}} , (2)
b = (1 - \omega^{2}L_{cd}C)^{2};
Q1, Q2 - добротность резонансной системы с образцом и без него;
C — резонансное значение емкости, считываемое по шкале измерителя добротности, пФ;
\omega — круговая частота, Гц;
Lcd — индуктивность электродов конденсатора, Гн.
6.2 Измерение при помощи прибора типа ИПДП
6.2.1. Диэлектрическую проницаемость \epsilon для образцов, равных по диаметру электродам, в случае выполнения условия квазистационарности \beta r \sqrt{\epsilon} \leq 0,24 определяют по формуле (1). При несоблюдении условия квазистационарности \beta r \sqrt{\epsilon} >0,24 диэлектрическую проницаемость определяют по формуле
\epsilon = \frac{4}{(\beta r)^{2}} [1 + \frac{\beta rhJ_{1}(\beta r)}{2J_{0}(\beta r)(h - d_{1} + d_{2})} - \sqrt{1 + (\frac{\beta rhJ_{1}(\beta r)}{2J_{0}(\beta r)(h - d_{1} + d_{2})})2}], (3)
где \beta — фазовая постоянная, рад/см;
J_{0}(\beta r) , J_{1}(\beta r) — функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков.
6.2.2 Тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta вычисляют по формуле
tg\delta = (1 + \epsilon \frac{d_{1} - h}{h}) \frac{\Delta f_{1} - \Delta f_{2}}{f_{1\text{рез}}} , (4)
где f1рез — резонансная частота резонатора с образцом, Гц.
\Delta f_{1} = f_{1} - f_{2} , \Delta f_{2} = f_{1}\prime - f_{2}\prime — ширина резонансной кривой резонатора с образцом и без него, Гц.
Значения f1, f2, f_{1}\prime и f_{2}\prime определяют по измеренным значениям l1, l2, l_{1}\prime , l_{2}\prime при помощи градуировочных таблиц.
6.3 Измерение при помощи прибора типа КР-500
6.3.1. Диэлектрическую проницаемость \epsilon для образцов диаметром, равным диаметру стержня резонатора, вычисляют по формуле
\epsilon = \frac{1}{2\pi f_{1\text{рез}}\rho\text{С}_{0}tg\tau_{01}} - \frac{C_{n}}{C_{0}} , (5)
C0 = 1,11D2/16h; C_{n} = \frac{1}{2\pi f_{2\text{рез}}\rho tg\tau_{02}} - C_{0},
\tau_{02} = \frac{\pi f_{2\text{рез}}L}{1,5 \cdot 10^{10}} , \tau_{01} = \frac{\pi f_{1\text{рез}}L}{1,5 \cdot 10^{10}} ,
D, Dн — диаметры внутреннего и внешнего электродов резонатора, см;
f2рез — резонансная частота пустого резонатора, Гц.
6.3.2 Тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta вычисляют по формуле
tg\delta = \varphi\chi(\frac{1}{Q_{1}} - \frac{1}{Q_{2}}), (6)
\psi = \frac{2\pi f_{1\text{рез}} \frac{\tau_{01}}{2} (1 + \frac{sin2\tau_{01}}{2\tau_{01}})\rho}{cos^{2}\tau_{01}} ,
\chi = \frac{(\epsilon C_{0} + C_{n})^{2}}{\epsilon C_{0}} ,
Q_{2} = \frac{2f_{2\text{рез}}}{\Delta f_{2}} , Q_{1} = \frac{2f_{1\text{рез}}}{\Delta f_{1}} ,
\Delta f_{1} , \Delta f_{2} — ширина резонансной кривой резонатора с образцом и без него, измеренная частотомером, Гц.
6.4. При использовании образцов диаметром, меньшим диаметра электродов или стержня резонатора, диэлектрическую проницаемость \epsilon и тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta вычисляют по формулам
\epsilon = 1 + (\frac{D}{D_{\text{обр}}})^{2}(\epsilon_{1} - 1), (7)
tg\delta = tg\delta_{1} + \frac{tg\delta_{1}}{\epsilon} [(\frac{D}{D_{\text{обр}}})^{2} - 1], (8)
где \epsilon_{1} , tg\delta_{1} — значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, рассчитанные по формулам (1), (3) и (5) исходя из предположения, что диаметр образца равен диаметру электродов или стержня резонатора;
D — диаметр электродов измерительной ячейки и внутреннего электрода тороидального и коаксиального резонаторов, см.
6.5 Измерение при помощи прибора типа Ш2-4
6.5.1. Если образец электрически тонкий, т.е. выполняется условие \beta h \sqrt{\epsilon} \leq 0,3 , то диэлектрическую проницаемость \epsilon определяют по формуле
\epsilon = \Delta L_{x}/h + 1, (9)
а тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta по формуле
tg\delta = \frac{L_{x}}{2h\epsilon} (\frac{1}{Q_{1x}} - \frac{1}{Q_{2x}}), (10)
где Lх — длина резонатора в режиме холостого хода, см;
\Delta L_{x} = \alpha_{2} - \alpha_{1} — смещение максимума резонансной кривой в режиме холостого хода, см;
\alpha_{1} , \alpha_{2} — положение максимума резонансной кривой в резонаторе с образцом и без него, см;
Q1х, Q2х — добротность резонатора с образцом и без него в режиме холостого хода.
6.5.2. Если электрическую толщину образца определяют при условии \beta h \sqrt{\epsilon} >0,3 , то параметры образца материала определяют из выражения
\beta h \sqrt{\epsilon} tg\beta h \sqrt{\epsilon} = \beta htg\beta(\Delta L_{x} + h). (11)
Левую часть выражения рассматривают как табличную функцию xtgx. Зная правую часть выражения (12), по таблицам функций находят x = \beta h \sqrt{\epsilon} .
Диэлектрическую проницаемость \epsilon определяют по формуле
\epsilon = (x/\beta h)^{2}, (12)
а тангенс угла диэлектрических потерь tg\delta по формуле
tg\delta = \frac{\Delta l_{1} - \Delta l_{2}}{2h\epsilon} , (13)
где \Delta l_{1} , \Delta l_{2} — ширина резонансной кривой резонатора с образцом и без него, см.
6.6 Измерение при помощи измерительной линии
6.6.1 Диэлектрическую проницаемость \epsilon вычисляют по формуле
(14)где KckVк, KckVх — коэффициент стоячей волны напряжения в режиме короткого замыкания и холостого хода;
Xк, Xх — смещение максимума кривой напряжения в режиме короткого замыкания и холостого хода, см.
6.6.2 Тангенс угла диэлектрических потерь вычисляют по формуле
(15)6.7. Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь исследуемых образцов определяют как среднее арифметическое результатов трех измерений.
6.8. Результаты измерений оформляют протоколом, в котором указывают полученные значения диэлектрических параметров образцов, доверительные погрешности определения результатов, геометрические размеры образцов, используемые средства измерений и их технические характеристики.
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ