ГОСТ 8.544-86 Государственная система обеспечения единства измерений. Относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь твердых диэлектриков. Методика выполнения измерений в диапазоне частот от 10 в ст. 9 до 10 в ст. 10 Гц

ГОСТ 8.544-86

Группа Т86.8

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР


Государственная система обеспечения единства измерений

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
И ТАНГЕНС УГЛА ПОТЕРЬ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Методика выполнения измерений в диапазоне частот 10-10 Гц

State system for ensuring the uniformity of measurements.
Relative dielectric pernittivity and the loss tangent of solid dielectrics
Procedure of measurements from 10 to 10 Hz

ОКСТУ 0008

Дата введения 1987-01-01

РАЗРАБОТАН Государственным комитетом СССР по стандартам

ИСПОЛНИТЕЛИ

В.А.Валенкевич (руководитель темы); С.К.Артамонова; Т.В.Отрошок

ВНЕСЕН Государственным комитетом СССР по стандартам

Член Госстандарта Л.К.Исаев

УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 31 марта 1986 г. N 845

ВЗАМЕН ГОСТ 12723-67, МИ 367-83

Настоящий стандарт устанавливает методики выполнения измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков:

с относительной диэлектрической проницаемостью от 1,5 до 200 и тангенсом угла диэлектрических потерь от 1·10 до 1·10 в диапазоне частот 9·10-10 Гц при использовании метода "вариации длины резонатора";

с относительной диэлектрической проницаемостью от 2 до 40 и тангенсом угла диэлектрических потерь от 5·10 до 1·10 в диапазоне частот 10-10 Гц при использовании метода "вариации частоты и типов колебаний".

Относительные погрешности измерения при доверительной вероятности 0,99 не должны превышать:

при использовании метода "вариации длины резонатора";

±1% для от 1,5 до 5;

±2% для от 5 до 20;

±3% для более 20;

% - для ;

произведение - не более 0,2;

при использовании метода "вариации частоты и типов колебаний": ±0,3% - для ;

% - для .

1. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.1. При выполнении измерений должны быть применены следующие средства измерений:

генераторы СВЧ типов Г4-78, Г4-79, Г4-80, Г4-81, Г4-82, Г4-83, с диапазоном частот от 1,1 до 10,5 ГГц и нестабильностью частоты выходного сигнала за любые 15 мин работы, не превышающей 3·10;

частотомер электронно-счетный типа Ч3-54 с преобразователем ЯЗЧ-57 с диапазоном измеряемых частот 0,7-12 ГГц и относительной погрешностью измерения частоты синусоидальных сигналов, не превышающей ±5·10;

аттенюатор волноводный поляризационный типа Д3-33А с погрешностью измерения, не превышающей ±0,1 дБ;

детекторная головка типа Э7-6, КСВН не более 1,5;

ферритовые вентили типа Э6-44, КСВН не более 1,5;

микроамперметр типа М95 по ГОСТ 8711-60, класса точности 1,5;

анализатор спектра типа СЧ-27 с диапазоном частот 0,01-39,6 ГГц;

измерительные ячейки;

типа ОР-2М (справочное приложение 1);

типов ИЯМТ-1К, ИЯМТ-2К (справочное приложение 2);

прижимное устройство (справочное приложение 3).

Примечание. Допускается применять средства измерений, точность которых не менее указанной в стандарте.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь образцов, имеющих форму диска, следует выполнять методом "вариации длины резонатора" или методом "вариации частоты и типов колебаний".

2.2. Метод "вариации длины резонатора"

2.2.1. Метод определения относительной диэлектрической проницаемости основан на измерении разности резонансных длин резонатора до и после помещения в резонатор образца диэлектрика при фиксированной частоте измерения. Для измерений должен быть применен круглый цилиндрический резонатор, в котором возбуждается магнитный тип колебаний , где - число полуволн, укладывающихся по длине резонатора, и оно может меняться от 2 до 5.

2.2.2. Метод определения тангенса угла диэлектрических потерь основан на измерении изменения интенсивности сигнала, проходящего через резонатор, при помещении в него образца диэлектрика.

2.3. Метод "вариации частоты и типов колебаний"

2.3.1. Метод измерения относительной диэлектрической проницаемости основан на сравнении спектра резонансных частот резонатора до и после помещения образца диэлектрика. Для измерений должен быть применен цилиндрический резонатор, в котором возбуждается электрический тип колебаний , где индексы и определяют азимутальное и радиальное распределение полей.

2.3.2. Метод измерения тангенса угла диэлектрических потерь основан на сравнении нагруженных добротностей пустого резонатора и резонатора с образцом диэлектрика.

3. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ

3.1. При выполнении измерений относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь должны быть соблюдены следующие требования безопасности:

к измерениям допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с электро- и СВЧ-радиоизмерительными приборами;

корпуса всех приборов, используемых при измерениях, должны быть заземлены;

в помещении, где проводят измерения, не должно быть газов и паров веществ, вызывающих коррозию металлических деталей;

отсоединять шины заземления, подключать или отключать межблочные и соединительные кабели следует только при выключенных приборах.

4. УСЛОВИЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. При выполнении измерений должны быть соблюдены следующие условия:

Изменение температуры в помещении за время измерений не должно превышать ±2 °С.

5. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. При подготовке к выполнению измерений методом "вариации длины резонатора" должны быть проведены следующие работы:

собирают измерительную установку по схеме, приведенной на черт.1;

Схема установки для измерения относительной диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
образцов методом "вариации длины резонатора"

1 - генератор СВЧ типа Г4-83; 2 - ферритовый вентиль типа Э6-44; 3 - волноводный поляризационный
аттенюатор типа Д3-33А; 4 - измерительная ячейка типа ОР-2М; 5 - детекторная головка типа Э7-6;
6 - микроамперметр типа М95 (10 мкА); 7 - электронно-счетный частотомер типа Ч3-54
с преобразователем типа ЯЗЧ-87; 8 - коаксиальный проводник: 9 - волновод

Черт.1

все приборы, входящие в состав установки, подготавливают к работе в соответствии с технической документацией (далее - ТД) на них;

образцы твердых диэлектриков подготавливают к измерениям в соответствии с обязательным приложением 4;

генератор СВЧ настраивают на выбранную частоту диапазона, контроль частоты осуществляют по частотомеру;

измеряют постоянную связи резонатора, входящего в состав измерительной ячейки ОР-2М;

поршень опускают вниз до упора и, плавно перемещая его вверх, настраивают резонатор в резонанс, по лимбу микрометрической головки поршня с погрешностью ±0,1 мм измеряют резонансную длину резонатора и снимают показания миллиамперметра (индикатора выходного уровня) ;

затем от точки первого резонанса поршень перемещают дальше вверх до получения второго резонанса и измеряют и ;

вычисляют постоянную связи резонатора

, (1)

где ;

- длина волны в резонаторе, мм;

- радиус резонатора, мм.

Примечание. Изменение частоты генератора за время измерений не должно превышать 100 кГц.

5.2. При подготовке к выполнению измерений методом "вариации частоты и типов колебаний" должны быть проведены следующие работы:

собирают измерительную установку по схеме, приведенной на черт.2.

Схема установки для измерения относительной диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
образцов методом "вариации частоты и типов колебаний"

1 - набор генераторов СВЧ типа Г4-78-Г4-83; 2 - измерительная ячейка типа ИЯМТ-1К или ИЯМТ-2К;
3 - анализатор спектра типа С4-60 или микроамперметр типа М95; 4 - электронно-счетный частотомер
типа Ч3-54 с преобразователем типа ЯЗЧ-87; 5 - коаксиальный проводник

Черт.2

Примечание. При измерении относительной диэлектрической проницаемости от 2 до 4 в установку включают ячейку ИЯМТ-1К, относительной диэлектрической проницаемости от 4 до 40 - ячейку ИЯМТ-2К;

все приборы, входящие в состав установки, подготавливают к работе в соответствии с ТД на них;

образцы твердого диэлектрика подготавливают к измерениям в соответствии с обязательным приложением 5.

6. ВЫПОЛНЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

6.1. При выполнении измерений относительной диэлектрической проницаемости методом "вариации длины резонатора" должны быть выполнены следующие операции:

настраивают резонатор в резонанс (объем резонатора максимален);

измеряют резонансную длину резонатора без образца с погрешностью ±0,01 мм;

помещают в резонатор образец диэлектрика;

перемещают поршень резонатора плавно до настройки в резонанс;

измеряют резонансную длину резонатора с образцом с погрешностью ±0,01 мм;

вычисляют смещение по формуле

. (2)

Примечание. Измерения проводят не менее шести раз, поворачивая после каждого измерения образец вокруг оси на 60°;

вычисляют среднее арифметическое из результатов измерений.

6.2. При выполнении измерений тангенса угла диэлектрических потерь должны быть выполнены следующие операции:

настраивают резонатор в резонанс;

устанавливают при помощи аттенюатора уровень сигнала на индикаторе выходного уровня; показания индикатора должны составлять не менее 50% его шкалы;

отсчитывают введенное затухание по шкале аттенюатора с погрешностью ±0,1 дБ;

помещают в резонатор образец диэлектрика;

настраивают резонатор в резонанс, плавно перемещая поршень;

уменьшают ослабление, введенное аттенюатором, до тех пор, пока показания индикатора не станут такими же, как до введения образца;

отсчитывают показания аттенюатора с погрешностью ±0,1 дБ;

вычисляют ослабление, вносимое образцом диэлектрика в измерительный тракт по формуле

. (3)

Примечание. Измерения проводят не менее шести раз, вычисляют среднее арифметическое из результатов измерений.

6.3. При выполнении измерений относительной диэлектрической проницаемости методом "вариации частоты и типов колебаний" должны быть выполнены следующие операции:

помещают образец диэлектрика в измерительную ячейку, наложив на торцевые поверхности ячейки электроды из фольги, резиновые прокладки, крышки;

устанавливают ячейку на платформу прижимного устройства и создают давление на крышку ячейки не менее 4·10 Н/м (20 делений шкалы индикатора прижимного устройства);

включают ячейку в измерительную установку, подключив генератор, позволяющий проводить измерения на нижней частоте диапазона измерительной ячейки;

перестраивают частоту генератора, начиная с нижних частот до получения сигнала на индикаторе выходного уровня.

Примечание. Если в диапазоне частот генератора резонанса нет, применяют генератор следующего диапазона:

определяют резонансную частоту по частотомеру, плавно перестраивая частоту генератора в области резонанса, с погрешностью ±0,5 МГц;

измерения проводят не менее трех раз;

вычисляют среднее арифметическое, округляя результат до ±0,5 МГц:

рассчитывают по формуле (4), полагая

=1, 2… , (4)

где - резонансная частота пустой измерительной ячейки, соответствующая типу колебаний , приведена в нормативно-технической документации на измерительную ячейку;

- значения корней функции Бесселя на соответствующих типах колебаний приведены в справочном приложении 6;

зная относительную диэлектрическую проницаемость , рассчитывают последующие дискретные частоты диапазона измерительной ячейки, на которых возможно измерение, по формуле

, (5)

где - скорость света, мм/с;

- диаметр измерительной ячейки, мм, приведен в нормативно-технической документации на измерительную ячейку;

определяют резонансные частоты , перестраивая частоту генератора в области резонанса, с погрешностью ±0,5 МГц;

вычисляют среднее арифметическое из результатов измерений;

рассчитывают по формуле (4).

Примечания:

1. Измерения следует проводить только на тех частотах, в окрестности которых в пределах 20-30 МГц отсутствуют другие резонансы.

2. Если значение относительной диэлектрической проницаемости перед началом измерений ориентировочно известно с погрешностью , диапазон перестройки частоты следует ограничить снизу частотой, рассчитанной по формуле (5), при и , где - известное значение относительной диэлектрической проницаемости материала образца.

6.4. При выполнении измерений тангенса угла диэлектрических потерь методом "вариации частоты и типов колебаний" должны быть выполнены следующие операции:

измеряют резонансные частоты, соответствующие типам колебаний , (аналогично указанному в п.6.3);

изменяя частоту генератора в большую и меньшую стороны от , определяют частоты и , при которых уровень сигнала по индикатору выходного уровня составляет половину уровня при частоте ;

определяют частотную ширину резонансной кривой

; (6)

измерения проводят не менее трех раз, вычисляя среднее арифметическое значение резонансной частоты и ширины резонансной кривой , округляя результат до ±0,5 МГц;

рассчитывают нагруженную добротность ячейки по формуле

, (7)

а тангенс угла диэлектрических потерь по формуле

, (8)

где - нагруженная добротность пустого резонатора, приводится в нормативно-технической документации на ячейку;

1,3 - коэффициент добротности, определяется как отношение нагруженных добротностей резонатора, заполненного диэлектриком, с металлическими крышками и электродами из фольги.

7. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

7.1. При использовании метода "вариации длины резонатора" относительную диэлектрическую проницаемость вычисляют с точностью до трех значащих цифр по формуле

, (9)

где - критическая длина волны, мм;

- радиус резонатора, мм;

- длина волны на частоте измерения, мм;

- толщина образца диэлектрика, мм;

- безразмерная величина, определяемая уровнем

, (10)

где - смещение, измеренное в п.6.1, мм;

- фазовая постоянная, мм;

- длина волны в резонаторе, измеренная по п.5.1, мм.

7.2. При использовании метода "вариации длины резонатора" тангенса угла диэлектрических потерь вычисляют с точностью до двух значащих цифр по формуле

, (11)

где - ослабление, вносимое образцом диэлектрика, измеренное по п.6.2, дБ;

, (12)

где

;

;

- резонансная длина резонатора без образца, мм;

- нагруженная добротность резонатора без образца диэлектрика;

- толщина образца диэлектрика, мм.

вычисляют с точностью до двух-трех значащих цифр по формуле

, (13)

где - потери в торцевой стенке, к которой примыкает образец диэлектрика;

- потери в противоположной торцевой стенке;

- потери в боковой стенке резонатора с образцом диэлектрика;

- потери в боковой стенке резонатора без образца диэлектрика;

- постоянная связи резонатора (см. п.5.1).

Отношение потерь вычисляют с точностью до трех значащих цифр по формулам:

; (14)

; (15)

, (16)

где - радиус резонатора, мм;

- резонансная длина резонатора с образцом диэлектрика, мм.

Примечания:

1. Радиус резонатора и нагруженная добротность должны быть указаны в нормативно-технической документации.

2. При оценочных измерениях тангенса угла диэлектрических потерь можно принять =1.

3. При измерениях тангенса угла диэлектрических потерь >0,001 потери на связь можно не учитывать, т.е. при расчетах принимать =0.

Программа расчета относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на ЭВМ приведена в справочном приложении 7.

7.3. При использовании метода "вариации частоты и типов колебаний" относительную диэлектрическую проницаемость вычисляют с точностью до трех значащих цифр по формуле (4) и тангенс угла диэлектрических потерь с точностью до двух значащих цифр по формуле (8).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное

Измерительная ячейка типа ОР-2М

1 - основание; 2 - микрометрическая головка; 3 - поршень; 4 - образец диэлектрика;
5 - фланец; 6 - резонатор; 7 - поглотитель; 8 - волновод; 9 - отверстия связи

Диапазон измеряемых значений относительной диэлектрической проницаемости от 1,5 до 200, тангенса угла диэлектрических потерь от 1·10 до 1·10;

произведение не более 0,2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

Измерительная ячейка типа ИЯМТ

1 - корпус ячейки; 2 - электрод из фольги; 3 - резиновая прокладка; 4 - крышка;
5 - коаксиальный разъем; 6 - возбуждающий элемент; 7 - образец диэлектрика

Технические характеристики ячеек ИЯМТ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное

Прижимное устройство

1 - основание; 2 - часовой индикатор; 3 - платформа; 4 - плавающая прижимная платформа; 5 - ручка управления; 6 - винтовая пара; 7 - корпус

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Обязательное

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА "ВАРИАЦИИ ДЛИНЫ РЕЗОНАТОРА"

1. Образец диэлектрика должен быть выполнен в форме диска диаметром 50 мм (см. чертеж).

2. Отклонение от параллельности торцов образца не более 0,03 мм, отклонение от перпендикулярности боковой поверхности к торцу не более 0,05 мм.

3. Высоту образца вычисляют по формуле

,

где - длина волны на частоте измерения, мм;

- радиус резонатора, мм;

- целое число, равное 1, 2, 3 ....

Высоту образца можно округлить до целого числа, но не более чем на ±.

Предпочтительнее для измерений использовать образцы диэлектриков с таким значением , чтобы =1.

Примечания:

1. Предварительное измерение можно проводить на образцах толщиной 1-2 мм.

2. Высоту образца измеряют в десяти точках, указанных на чертеже с погрешностью не более ±0,01 мм. Вычисляют среднее арифметическое значение этих измерений.

4. Обработка образцов не должна изменять свойств материала. Способ обработки должен быть указан в НТД на материал.

5. Нормализация и кондиционирование образцов - по ГОСТ 6433.1-71.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Обязательное

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
МЕТОДА "ВАРИАЦИИ ЧАСТОТЫ И ТИПОВ КОЛЕБАНИЙ"

1. Образец твердого диэлектрика должен быть выполнен в форме диска с размерами, указанными в таблице.

2. Отклонение от параллельности торцев образца - не более 0,03 мм, отклонение от перпендикулярности боковой поверхности к торцу - не более 0,03 мм, микронеровности на торцевой поверхности образца - не более 0,5 мкм.

3. Высоту образца измеряют не менее чем в десяти точках, равномерно распределенных по поверхности образца.

4. Диаметр образца измеряют не менее чем в шести направлениях, расположенных под одинаковыми углами по отношению друг к другу.

5. Обработка образцов не должна изменять свойств материала. Способ обработки должен быть указан в нормативно-технической документации на материал.

6. Нормализация и кондиционирование образцов по ГОСТ 6433.1-71.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Справочное

Значения корней функции Бесселя

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
Справочное

ПРОГРАММА РАСЧЕТА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МЕТОДА "ВАРИАЦИИ ДЛИНЫ РЕЗОНАТОРА"

1. Описание задачи

Предложенная программа вычисляет значения относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков по формулам настоящего стандарта (пп.7.1, 7.2). Для решения трансцендентного уравнения

используется градиентный метод.

2. Описание программы

Программа написана на алгоритмическом языке ФОРТРАН и реализована на ЕС ЭВМ.

В программе используются следующие стандартные функции:

SQRT - вычислить корень квадратный вещественного аргумента;

SIN - вычислить синус угла (вещественный аргумент в радианах);

COS - вычислить косинус угла (вещественный аргумент в радианах).

За один проход программа обсчитывает одно измерение. Трансляция и редакция программы осуществляются за 11, 16 с, обработка одного измерения осуществляется за 0,78 с.

3. Сообщения об ошибках

Программа сообщений об ошибках не вырабатывает.

4. Входные данные

Входные данные вводятся по форматам, указанным в программе.

На входе задаются:

R - радиус резонатора , мм;

AL1, AL2 - показания индикатора и (см. п.5.1 настоящего стандарта);

Q - нагруженная добротность резонатора без образца диэлектрика ;

D - толщина образца диэлектрика , мм (см. обязательное приложение 4);

AL - резонансная длина резонатора без образца диэлектрика , мм (см. п.6.1);

ALE - резонансная длина резонатора с образцом диэлектрика , мм (см. п.6.1);

BLB - длина волны в резонаторе , мм (см. п.5.1);

AN, ANE - ослабление, введенное аттенюатором до и после помещения образца диэлектрика в резонатор , , дБ (см. п.6.2);

ЕМАХ - предполагаемая максимальная относительная диэлектрическая проницаемость образца диэлектрика.

1-я карта вводит величины R, AL1 AL2 по формату 7.2, величину Q - по формату 15. Число карт, следующих за первой, равно числу измерений.

2-я карта и следующие за ней вводят величины D, AL, ALE, BLB, AN, ANE, EMAX по формату F9.3.

См. пример распечатки входных данных программы.

5. Карты управления

Для работы программы необходимо составить следующее задание, выполняющее трансляцию с языка ФОРТРАН, редакцию и вычисление.

6. Входные данные

В результате работы программы на печать выводятся все входные величины и результаты расчета:

Е (I) - относительная диэлектрическая проницаемость образца;

TGD (I) - тангенс угла диэлектрических потерь образца

См. пример распечатки выходных данных программы.

Примечания:

1. Если высота образца выбрана так, что =1 (см. обязательное приложение 4), то на печать выводится один результат.

2. При =2, 3 ... на печать выводится результатов, действительным из которых является последний.

Пример распечатки входных данных программы

25.9+ 1.+8.3

+12.3+76.42+63.277+5/.98+15.6+12.2+3.

+5.26+76.42+56.224+5.98+15.6+85+1./

+3.599+76.39+54.63+5.99+9.8+1.2+2.//

Пример распечатки выходных данных программы

R=25.9 AL1=1/ AL2=8.Q=3

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

D=12.3AL=76.42 ALE=63.277 BLB=5.98 AN=15.6 ANE=12.2 EMAX=3.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

E (I)=2.2868

TGD (I)=2.05E-4

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

D=5.26 AL=76.42 ALE=56.224 BLB=5.98 AN=15.6 ANE=8.5 EMAX=1.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

E (I) =9.757

TGD (I)=1.54Е-3

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

D=3.599 AL=76.39 ALE=54.63 BLB=5.99 AN=9.8 ANE=1.

2 EMAX=2.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

E (I)=19.2822

TGD (I)=7.49E-5

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

Текст документа сверен по:

М.: Издательство стандартов, 1986