PAGEPAGE8《電容工作基準(zhǔn)檢定規(guī)程》試驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告電容工作基準(zhǔn)檢定規(guī)程修訂小組2024年06月

《電容工作基準(zhǔn)檢定規(guī)程》試驗(yàn)驗(yàn)證報(bào)告試驗(yàn)?zāi)康倪x取標(biāo)準(zhǔn)電容器作為試驗(yàn)對象，按規(guī)程中規(guī)定的主要項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該校準(zhǔn)規(guī)范條款的正確性和可行性。試驗(yàn)方法按照校準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時間2021年11月~2024年03月

試驗(yàn)報(bào)告（一）1．試驗(yàn)?zāi)康目販厝廴谑㈦娙萜魉菰粗岭娙莼鶞?zhǔn)裝置。2．試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時間、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)環(huán)境條件、時間、地點(diǎn)及人員：2.1環(huán)境溫度：20.0℃相對濕度：48.5%2.2試驗(yàn)時間：2023.102.3試驗(yàn)地點(diǎn)：中國計(jì)量科學(xué)研究院2.4試驗(yàn)人員：王維、黃璐2.5計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)名稱:電容基準(zhǔn)裝置證書編號:[2023]國量標(biāo)計(jì)證字第157號測量范圍:1pF~100pF不確定度:2×10-8~4×10-8(k=2)2.6被校標(biāo)準(zhǔn)電容器（四端對）：名稱：控溫熔融石英電容器(型號AH11，1366/1367/1368/1369)3．試驗(yàn)方法電容基準(zhǔn)裝置基于計(jì)算電容原理并采用激光干涉測長方法溯源至國際單位制的長度單位米，包括以電補(bǔ)償為標(biāo)志的新一代立式計(jì)算電容裝置及三只電容值分別為1pF、10pF和100pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器組成的主體設(shè)備，以及電容基準(zhǔn)過渡電橋、激光干涉測長系統(tǒng)和臥式計(jì)算電容裝置組成的附屬設(shè)備。其中，電容基準(zhǔn)裝置采用電容比較法向電容工作基準(zhǔn)裝置中的控溫熔融石英電容器進(jìn)行量值傳遞。電容基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)電容量值為0.4pF、1pF、10pF和100pF，頻率為1kHz和1.592kHz，相對擴(kuò)展不確定度范圍為(2.0×10-8~4.0×10-8)(k=2)。過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器（組）的年穩(wěn)定性指標(biāo)為±2×10-7。1）0.4pF計(jì)算電容量傳至1pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器電容基準(zhǔn)過渡電橋能夠?qū)崿F(xiàn)0.4pF計(jì)算電容值向1pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器的量值傳遞，原理如圖1所示。在過渡電橋中，計(jì)算電容Ccalc.接在電橋比率臂的端紐“10”上，被測過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器CX接在電橋比率臂的端紐“4”上，參考電容CF接在比率臂的端紐“-1”上。補(bǔ)償電勢在參考電容CF支路中注入。根據(jù)計(jì)算電容所在位置（0.2pF或0.6pF），被測過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器CX（1pF）S端接入或不接入指零儀端，兩次平衡后求差，即可根據(jù)計(jì)算電容值（0.4pF）求得被測過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器CX。圖1-10.4pF計(jì)算電容量傳1pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容基準(zhǔn)過渡電橋原理圖補(bǔ)償電勢在電橋低端采用變比1000:1的微差電勢注入，這樣可實(shí)現(xiàn)直讀電橋比率：。由于注入電勢位于有電位的電橋低端，為防止泄露電流影響，注入變壓器采用對稱泄漏的單匝注入變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電橋平衡時，補(bǔ)償電勢給出的比差和角差分別以α和β表示（IVD的讀數(shù)）。當(dāng)移動電極在上位置時（），補(bǔ)償電勢讀數(shù)，可得(1-1)移動電極在下位置時（），補(bǔ)償電勢讀數(shù)，可得(1-2)在(1-1)和(1-2)式中，、、分別為電橋比率臂10端、4端、-1端比率輸出誤差。上述兩式相減，可得(1-3)2）1pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器分別量傳至電容工作基準(zhǔn)裝置中的1pF、10pF和100pF控溫熔融石英電容器量值傳遞方案依然采用同一個電容基準(zhǔn)過渡電橋，利用電橋10:1比率進(jìn)行量值傳遞，在1kHz及1.592kHz下，將1pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器分別量傳至電容工作基準(zhǔn)裝置中的1pF、10pF和100pF控溫熔融石英電容器，其電容量傳原理如圖1-2所示。圖1-21pF過渡標(biāo)準(zhǔn)電容器量傳電容工作基準(zhǔn)裝置中的控溫熔融石英電容器的原理圖上圖橋路中補(bǔ)償電勢仍位于-1支路。由于電勢注入支路存在電位，導(dǎo)納泄漏會引入補(bǔ)償電勢注入誤差，這個問題通過單匝對稱同軸注入變壓器設(shè)計(jì)即可解決。為方便標(biāo)準(zhǔn)電容器帶引線傳遞并降低導(dǎo)納泄漏影響，橋路設(shè)計(jì)還可將補(bǔ)償電勢放在0抽頭端零電位支路注入。補(bǔ)償電勢位于0抽頭支路，通過特殊注入比率設(shè)計(jì)，也可實(shí)現(xiàn)電橋比率直讀。補(bǔ)償電勢IVD讀數(shù)分別為,設(shè)計(jì)使得注入變比為1:1100，則電橋?qū)嵅縌UOTE比率讀數(shù)為: (1-4)微差分量輸入變比為1100:1，即第一盤感應(yīng)分壓器讀數(shù)對應(yīng)單段電壓為10-4量級。同理電橋虛部比率讀數(shù)為。若無法滿足條件，類似計(jì)算電容過渡電橋，將注入電勢放在（-1）支路，以1000:1比率注入。同相分量QUOTE和直角分量QUOTE采用7盤感應(yīng)分壓器，因此系統(tǒng)最小分辨率為1×10-10。電橋平衡后，被比較電容和標(biāo)準(zhǔn)電容計(jì)算公式如下：(1-5)試驗(yàn)結(jié)果表1-2電容工作基準(zhǔn)中的AH11控溫熔融石英電容器測量值(pF)頻率(kHz)1pF電容器(SN:1366)10pF電容器(SN:1367)100pF電容器(SN:1368)100pF電容器(SN:1369)11.00000079.999997299.99993399.9999505．試驗(yàn)結(jié)論本節(jié)的方法應(yīng)用于ComparisonCCEM‐K4.2017of10pFand100pFCapacitanceStandards國際比對中，比對編號CCEM‐K4.2017，取得了很好的一致性，說明規(guī)程中的檢定方法和不確定度評定是科學(xué)、合理的此處不太會寫，你看著補(bǔ)上吧。此處不太會寫，你看著補(bǔ)上吧

試驗(yàn)報(bào)告（二）1．試驗(yàn)?zāi)康臏y試四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器的頻率特性(標(biāo)稱值1pF、10pF、100pF和1000pF，頻率10kHz～10MHz)。2．試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時間、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)環(huán)境條件、時間、地點(diǎn)及人員：2.1環(huán)境溫度：20.1℃相對濕度：43.9%2.2試驗(yàn)時間：2022.032.3試驗(yàn)地點(diǎn)：中國計(jì)量科學(xué)研究院2.4試驗(yàn)人員：戴冬雪、王維2.5計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)名稱:電容工作基準(zhǔn)裝置、網(wǎng)絡(luò)/阻抗分析儀證書編號:[1988]國量標(biāo)計(jì)證字第085號測量范圍:1pF~1μF不確定度:5×10-6~5×10-5(k=2)2.6被檢四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器：名稱：標(biāo)準(zhǔn)電容器(型號16380A，1840J01774)3．試驗(yàn)方法按規(guī)程7.2.2.4中的方法，用網(wǎng)絡(luò)分析儀或阻抗分析儀，采用網(wǎng)絡(luò)分析法測量電容工作基準(zhǔn)中空氣介質(zhì)的四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器1pF～1000pF的串聯(lián)等效電感值，用規(guī)程3.1中的公式(1)和公式(2)計(jì)算被檢電容器頻率特性（或變化量）和電容實(shí)際值。四端對空氣電容器的測量原理如圖2-1所示，系統(tǒng)由四端對電容器和按四端對定義的阻抗測量儀組成。和分別表示端口的芯線中電流和芯線對屏蔽的電壓。同軸電纜中，各自芯線與皮線電流相等、方向相反，組成無定向系統(tǒng)。圖2-14TP電容器測量原理圖四端對阻抗標(biāo)準(zhǔn)器都可用4階阻抗矩陣表示為其中，Y4TP是被測或標(biāo)準(zhǔn)器導(dǎo)納；ZOHP是電位高端輸出阻抗；ZOLC是電流低端輸出阻抗。根據(jù)四端對測量的定義，I2=I3=0，且V3=0，四端對阻抗標(biāo)準(zhǔn)器的導(dǎo)納為則可化簡為進(jìn)一步推導(dǎo)，可得互阻抗Zij不能被直接測量，所以需要測量出阻抗Zii和阻抗Ziisj后再計(jì)算出Zij。1).阻抗Zii的測量方法根據(jù)阻抗Zii的定義，把第i端接入射頻阻抗分析儀，其余端口開路，這時測得的阻抗Zin即為自阻抗，如圖2-2所示。圖2-2阻抗Zii測量原理圖2).阻抗Ziisj的測量方法如圖2-3所示，Ziisj表示標(biāo)準(zhǔn)器的第i端接射頻阻抗分析儀，第j端短路，其余各端開路，這時測量的阻抗為Ziisj。根據(jù)Vj=0，除i和j端外，其余端口的電流均為零，可得圖2-3阻抗Ziisj測量原理圖由于無源線性網(wǎng)絡(luò)滿足Zij=Zji，便得到四端對導(dǎo)納表達(dá)式再根據(jù)公式Y(jié)4TP=jωC4TP+G4TP=jX+G4TP、、和計(jì)算各頻率點(diǎn)的等效串聯(lián)電感和電容頻率特性。4.試驗(yàn)結(jié)果表2-14TP空氣電容器等效串聯(lián)電感(nH)測量列1pF電容器10pF電容器100pF電容器1000pF電容器等效串聯(lián)電感平均值-2.41×1036.56.26.8表2-24TP空氣電容器電容頻率特性(×10-6)頻率(Hz)1pF電容器10pF電容器100pF電容器1000pF電容器100k-10031M-9432527.4×10110M-95×10226×10122×10227×1035.試驗(yàn)結(jié)論本節(jié)的方法應(yīng)用于中國計(jì)量科學(xué)研究院主導(dǎo)的四端對空氣電容器電容頻率特性的國際比對中，比對編號APMP.EM-S15，取得了很好的一致性，說明規(guī)程中的檢定方法和不確定度評定是科學(xué)、合理的。

試驗(yàn)報(bào)告（三）1．試驗(yàn)?zāi)康臏y試四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器的頻率特性(標(biāo)稱值0.01μF、0.1μF和1μF，固體介質(zhì)，頻率10kHz～1MHz)。2．試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時間、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)環(huán)境條件、時間、地點(diǎn)及人員：2.1環(huán)境溫度：20.1℃相對濕度：41.5%2.2試驗(yàn)時間：2023.032.3試驗(yàn)地點(diǎn)：中國計(jì)量科學(xué)研究院2.4試驗(yàn)人員：戴冬雪、黃璐2.5計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)名稱:電容工作基準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)電容器、四端對寬頻比例器證書編號:[1988]國量標(biāo)計(jì)證字第085號測量范圍:1pF~1μF不確定度:5×10-6~5×10-5(k=2)2.6被檢四端對標(biāo)準(zhǔn)電容器：名稱：標(biāo)準(zhǔn)電容器(型號16380C，2519J00868)3．試驗(yàn)方法按規(guī)程7.2.2.4中的方法，在設(shè)定的測量頻率下，采用10:1量值傳遞法。3.1測量標(biāo)準(zhǔn)電容器量值四端對寬頻比率網(wǎng)絡(luò)的比率置0.1時，如圖3-1所示。在圖3-1中，CS為1000pF四端對空氣電容器。VS與VmS的關(guān)系表示為式中，A1、B1、C1和D1是電纜1的二端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；A2、B2、C2和D2是感應(yīng)比率器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；A3、B3、C3和D3是電纜2的二端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。以上各參數(shù)可表示如下:；；；；；；；；；；；。其中，γ1和γ2分別是電纜1和2的傳播常數(shù)，且γ1=γ2=0.55ω×10－9；l1和l2是電纜1和2的長度l1=l2=5cm；Z01、Z02為電纜1和電纜2的特征阻抗，Z01=Z02=50Ω；ZIVDO0.1和ZIVDS0.1是兩級感應(yīng)比率器的比率置0.1時，分別在其輸出端測得的開路和短路阻抗。由上面各式可推導(dǎo)出下列關(guān)系其中，。簡化為根據(jù)四端對導(dǎo)納的定義，可得到3.2測量被測電容器量值四端對寬頻比率網(wǎng)絡(luò)的比率置1時，如圖3-1所示。在圖3-1中，CX為0.01μF四端對固體介質(zhì)電容器。比率置1的情況下，認(rèn)為比率是沒有誤差的，即K1.0=1，可推導(dǎo)出如下。圖3-1比率置1時的測量原理圖VX與VmX的關(guān)系可表示為式中，A1、B1、C1和D1是電纜1的二端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；A2、B2、C2和D2是感應(yīng)比率器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；A3、B3、C3和D3是電纜2的二端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。以上各參數(shù)可表示如下：；；；；；；；；；；；。其中，ZIVDO1.0和ZIVDS1.0是兩級感應(yīng)比率器的比率置1時，分別在其輸出端測量開路和短路阻抗。可推導(dǎo)出如下關(guān)系其中，。上述簡化為由前面幾個公式推導(dǎo)可得最后，獲得測量頻率下的電容量值傳遞公式，可表示為式中，是比率為0.1時的比率校準(zhǔn)值；是比率為0.1時的比差校準(zhǔn)值，是采用參考電壓法進(jìn)行校準(zhǔn)的；CS為1000pF標(biāo)準(zhǔn)電容器溯源值；CmS和CmX分別是四端對阻抗測量儀測量1000pF電容器和0.01μF電容器的測量值。再根據(jù)公式計(jì)算各頻率點(diǎn)的電容頻率特性。4.試驗(yàn)結(jié)果表3-14TP固體介質(zhì)電容器頻率特性ΔCiHz/C1kHz的測量值(×10-6)頻率(Hz)10k40k100k400k1M0.01μF電容器-10-11×10112×10123×10214×1030.1μF電容器20×10144×10123×10225×10314×1041μF電容器78×10156×10225×10328×104—5．試驗(yàn)結(jié)論本節(jié)的方法應(yīng)用于四端對介質(zhì)電容器電容頻率特性的測量中，已經(jīng)過國際同行認(rèn)可，具有CMC寬頻電容校準(zhǔn)測量能力，說明規(guī)程中的檢定方法和不確定度評定是科學(xué)、合理的。

試驗(yàn)報(bào)告（四）1．試驗(yàn)?zāi)康臏y試標(biāo)準(zhǔn)電容電橋(頻率1kHz)。2．試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時間、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)環(huán)境條件、時間、地點(diǎn)及人員：2.1環(huán)境溫度：20.2℃相對濕度：49.5%2.2試驗(yàn)時間：2022.092.3試驗(yàn)地點(diǎn)：中國計(jì)量科學(xué)研究院2.4試驗(yàn)人員：戴冬雪、黃璐2.5計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：標(biāo)準(zhǔn)名稱:電容工作基準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)電容器證書編號:[1988]國量標(biāo)計(jì)證字第085號測量范圍:1pF~1μF不確定度:1×10-6~5×10-6(k=2)2.6被檢標(biāo)準(zhǔn)電容電橋：名稱：標(biāo)準(zhǔn)電容電橋(型號AH-2700A/C，00700400)3．試驗(yàn)方法按規(guī)程7.2.2.4中的方法，在1kHz頻率下，采用直接測量法。3.1標(biāo)準(zhǔn)電容電橋電容示值誤差在設(shè)定頻率范圍內(nèi)，電容量值在0.1pF～1μF范圍內(nèi)選取不少于7個測量點(diǎn)，按公式(4-1)計(jì)算電容示值誤差，結(jié)果應(yīng)滿足5.3的要求。(4-1)式中：—電容電橋的電容示值誤差，F(xiàn)；—電容電橋的電容顯示值，F(xiàn)；—標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容參考值，F(xiàn)。3.2標(biāo)準(zhǔn)電容電橋損耗因數(shù)示值誤差在設(shè)定頻率范圍內(nèi)，損耗因數(shù)0.0000001～1范圍內(nèi)選取不少于5個測量點(diǎn)，按公式(4-2)計(jì)算損耗因數(shù)示值誤差，結(jié)果應(yīng)滿足5.3的要求。