JJF 1713-2018高频电容损耗标准器校准规范-(高清原版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 7 1 32 0 1 8高频电容损耗标准器校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rH i g hF r e q u e n c yC a p a c i t yD i s s i p a t i o nS t a n d a r d s 2 0 1 8-0 6-2 5发布2 0 1 8-1 2-2 5实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局高频电容损耗标准器校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rH i g hF r e q u e n c yC a p a c i t yD i s s i p a t i o nS t a n d a r d sJ J F1 7 1 32 0 1 8代替J J G6 61 9 9 0 归 口 单 位:全国无线电计量技术委员会 主要起草单位:工业和信息化部电子工业标准化研究院中国计量科学研究院 本规范委托全国无线电计量技术委员会负责解释J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局本规范主要起草人:赵 飞(工业和信息化部电子工业标准化研究院)徐 沛(工业和信息化部电子工业标准化研究院)韩雨桐(中国计量科学研究院)参加起草人:王文峰(工业和信息化部电子工业标准化研究院)贾 超(中国计量科学研究院)J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局目 录引言()1 范围(1)2 术语(1)2.1 电容损耗(1)2.2 品质因数(1)3 概述(1)4 计量特性(1)4.1 初损耗值t a n1(1)4.2 大损耗值t a n2(2)5 校准条件(2)5.1 环境条件(2)5.2 测量标准及其他设备(2)6 校准项目和校准方法(2)6.1 校准项目(2)6.2 外观和工作正常性检查(3)6.3 电容值不超过3 0 0p F的高频电容损耗标准器的初损耗值(3)6.4 电容值在3 0 0p F以上的高频电容损耗标准器的初损耗值(4)6.5 大损耗值(5)7 校准结果表达(5)8 复校时间间隔(6)附录A 原始记录格式(7)附录B 校准证书内页格式(9)附录C 测量不确定度评定示例(1 0)附录D 并联替代法测量低损耗元件的基本原理(1 3)J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局引 言 本规范按照J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则编制,J J F1 0 0 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示共同构成支撑本规范修订工作的基础性系列规范。本规范是对J J G6 61 9 9 0的修订。与J J G6 61 9 9 0相比,除编辑性修改外,本规范主要修订内容有:增加了引言部分。增加了有关名词术语(见2)。修订了校准条件中环境条件,包括调整环境温度和环境相对湿度条件的范围,删除了大气压强条件(见5.1)。修订了测量标准及其他设备(见5.2)。重新编制了校准过程,补充了校准框图等内容(见6.36.5)。修改了校准原始记录及证书内页的参考格式(见附录A和附录B)。补充了测量不确定度评定示例(见附录C)。补充了相关原理和公式推导过程(见附录D)。本规范历次版本发布情况为:J J G6 61 9 9 0。J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局高频电容损耗标准器校准规范1 范围本规范适用于两端连接的高频电容损耗标准器的校准,不适用于四端对高频电容损耗标准器的校准。2 术语2.1 电容损耗 c a p a c i t yd i s s i p a t i o n又称为电容损耗因数、损耗值,是电容器的损耗角正切值,用t a n或符号D表示,无量纲。2.2 品质因数 q u a l i t yf a c t o r表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标。电抗元件的品质因数等于它的电抗与其等效串联电阻的比值,谐振回路的品质因数为谐振回路的特性阻抗与回路电阻的比值,均用符号Q表示,无量纲。3 概述高频电容损耗标准器是用于检定或校准电容介质损耗仪的工作标准器。两端连接的高频电容损耗标准器由低损耗的固定空气介质(或云母介质)电容器与高频电阻串联并外加屏蔽罩组成,其等效电路和基本参量如图1所示。图1 两端连接的电容损耗标准器等效电路未串接高频电阻时的电容器固有损耗值t a n1为高频电容损耗标准器的初损耗值。串联高频电阻R后,高频电容损耗标准器的损耗值t a n2称为大损耗值,它由式(1)算出:t a n2=t a n1+C R(1)式中:工作角频率,r a d/s;C 高频电容损耗标准器的电容值,F;R 高频电容损耗标准器的电阻值,。4 计量特性4.1 初损耗值t a n11J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局 空气电容器:标称值上限:0.51 0-4(f=1MH z,C3 0 0p F时)标称值上限:0.81 0-4(f=0.3MH z或1MH z,C10 0 0p F时)云母电容器:标称值上限:3.01 0-4(f=0.3MH z或1MH z)4.2 大损耗值t a n2标称值范围:51 0-42 51 0-4最大允许误差:(1%t a n 2+0.51 0-4)。5 校准条件5.1 环境条件5.1.1 环境温度:(2 35)。5.1.2 环境相对湿度:7 0%。5.1.3 交流电源电压:(2 2 01 1)V;(5 01)H z。5.1.4 周围无强电磁场干扰及无影响校准系统正常工作的机械振动和冲击。5.2 测量标准及其他设备5.2.1 高频Q表测量频率:2 2k H z 5 0MH z;调谐电容范围:2 5p F4 7 0p F。5.2.2 直流电压表或其他符合要求的设备测量范围:1 0mV1 0V;最大允许误差:0.1%。5.2.3 L C R表或其他符合要求的设备频率范围:包含0.3MH z和1.0MH z;电容最大允许误差:0.1%;电阻最大允许误差:0.1%。5.2.4 频率计数器测量频率:2 2k H z 5 0MH z;频率偏差:1H z。5.2.5 辅助线圈组频率范围:2 0 0k H z 9.6MH z。6 校准项目和校准方法6.1 校准项目6.1.1 外观和工作正常性检查。6.1.2 电容值不超过3 0 0p F的高频电容损耗标准器的初损耗值。6.1.3 电容值在3 0 0p F以上的高频电容损耗标准器的初损耗值。6.1.4 大损耗值。2J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局6.2 外观和工作正常性检查被校高频电容损耗标准器的外壳上应有下列标志:产品名称及生产厂家;型号及出厂编号。以上各种标志应符合相关标准的规定,无影响正常工作的机械损伤,无异常声响。6.3 电容值不超过3 0 0p F的高频电容损耗标准器的初损耗值6.3.1 仪器连接如图2所示。6.3.2 接通高频Q表电源,根据被校高频电容损耗标准器的大小,选择合适的夹具用于连接高频Q表与被校高频电容损耗标准器。6.3.3 调节高频Q表的频率(调节)旋钮,使频率监测端的频率计数器指示值与被校高频电容损耗标准器的标称频率一致。6.3.4 将被校高频电容损耗标准器接入高频Q表的电容端,选择合适的测量辅助线圈,接入到高频Q表的电感端。调节高频Q表调谐电容,使被校高频电容损耗标准器与辅助线圈产生谐振,继续调节高频Q表调谐电容,直到其Q值表盘指针指示在刻度盘可能达到的最大整数刻度为止。注:辅助线圈的选择原则是:在该辅助线圈下,谐振回路的调谐电容不能大于高频Q表的最大调谐电容值;并且能够通过调节高频Q表的调谐电容,使接入被校高频电容损耗标准器的高频Q表的Q值指示盘明显向右摆动,即被校高频电容损耗标准器与辅助线圈产生谐振现象。图2 电容值不超过3 0 0p F的高频电容损耗标准器的初损耗值校准6.3.5 调节电压分压器,使直流电压表显示的整数位与高频Q表的Q值表盘指针数值一致。6.3.6 再次微调高频Q表的主、微调谐电容度盘,产生谐振并确认直流电压表显示为最大值,记下此时直流电压表所对应的Q值为Q1,调谐电容器主、微调电容之和为C1。3J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局6.3.7 将被校高频电容损耗标准器从高频Q表的电容端取下,再次调节高频Q表的主、微调谐电容度盘,产生谐振后使直流电压表显示重新出现最大值,记下此时直流电压表对应的Q值为Q2以及主、微调谐电容之和为C2。6.3.8 按式(2)计算被校高频电容损耗标准器的初损耗值:t a n1=C2(Q2-Q1)(C2-C1)Q1Q2+(C1-C2)r2+(C1+C2)rc(2)式中:高频电容损耗标准器工作角频率,r a d/s;r2 连接夹具和高频Q表电容接线柱残阻之和,;rc 高频Q表调谐电容器等效串联残阻,。注:接线柱残阻r2与调谐电容器等效串联残阻rc的计算方法参见附录D。6.3.9 将上述校准过程中的量值及初损耗值计算结果记录到附录A表A.1中。6.4 电容值在3 0 0p F以上的高频电容损耗标准器的初损耗值6.4.1 根据被校高频电容损耗标准器的标称电容值选定组合的电容单元a,b,c,通过并联测量夹具构成“组合模拟损耗标准器”,并联后的“组合模拟损耗标准器”的电容和损耗按式(3)和式(4)计算:C并=Ca+Cb+Cc+(3)t a n并=1C并Cat a na+Cbt a nc+Cbt a nc+()(4)式中:C并 “组合模拟损耗标准器”的电容值,p F;Ci 电容单元i的电容值,i=a,b,c,p F;t a n并 “组合模拟损耗标准器”的损耗,无量纲;t a ni 电容单元i的损耗,i=a,b,c,无量纲。6.4.2 校准时的仪器连接参照图2,其中“被校高频电容损耗标准器”部分替换为“组合模拟损耗标准器”。选择合适的测量辅助线圈连接到高频Q表的电感端。6.4.3 调节高频Q表的主、微调谐电容度盘,使其能够产生谐振,产生谐振后使直流电压表显示重新出现最大值。记下此时的调谐电容为C1,Q值读数为Q1。6.4.4 取下“组合模拟损耗标准器”,换上被校高频电容损耗标准器,再次微调高频Q表主、微微调谐电容度盘,产生谐振后使直流电压表显示再次出现最大值,记下此时直流电压表对应的Q值读数Q 1。6.4.5 按式(5)计算被校高频电容损耗标准器的初损耗值:t a n1=t a n并+1+C1C并 Q1-Q1Q21(5)式中:t a n并 “组合模拟损耗标准器”的损耗,无量纲;C并 “组合模拟损耗标准器”的电容,p F;C1 “组合模拟损耗标准器”产生谐振时的调谐电容,p F;4J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局Q1 “组合模拟损耗标准器”产生谐振时的Q值,无量纲;Q 1 被校电容损耗标准器产生谐振时的Q值,无量纲。6.4.6 将上述校准过程中的量值及初损耗值计算结果记录到附录A表A.2中。6.5 大损耗值6.5.1 仪器连接如图3所示。L C R表或其他符合要求的设备需预先经过开路、短路校准,并进行适当的夹具补偿。图3 大损耗的校准6.5.2 分别测量被校高频电容损耗标准器标称频率下的电容值C和电阻值R,将结果记录到附录A表A.1或表A.2中。6.5.3 按下式计算被校高频电容损耗标准器的大损耗值:t a n2=t a n1+2 fRC(6)式中:t a n1 被校高频电容损耗标准器的初损耗值,无量纲;f 被校高频电容损耗标准器的测试频率,H z;R 被校高频电容损耗标准器的电阻测量值,;C 被校高频电容损耗标准器的电容测量值,F。7 校准结果表达校准结果应在校准证书上反映,校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;5J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。原始记录和校准证书内页格式分别参见附录A和附录B。8 复校时间间隔高频电容损耗标准器的复校时间由用户根据使用情况决定,建议复校时间间隔为1年。6J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局书 书 书?7J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局书 书 书?8J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局附录B校准证书内页格式表B.1 校准证书内页格式示例标准器号电容值/p F标称值实测值校准频率/MH z初损耗t a n1大损耗t a n2标称值1 0-4实测值1 0-4不确定度U(k=2)标称值1 0-4实测值1 0-4不确定度U(k=2)9J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局附录C测量不确定度评定示例C.1 测量模型与不确定度来源C.1.1 高频电容损耗标准器的初损耗值的测量模型与不确定度来源根据本规范中所述的初损耗值校准方法及公式(2),高频电容损耗标准器的初损耗值的影响分量主要有:a)测量重复性;b)接入被校高频电容损耗标准器前测得的调谐电容器电容值C1的测量不准确;c)未接被校高频电容损耗标准器前测得的调谐电容器电容值C2的测量不准确;d)接入被校高频电容损耗标准器前测得的Q值Q1的测量不准确;e)未接被校高频电容损耗标准器前测得的Q值Q2的测量不准确;f)高频Q表频率f(即角频率=2 f)设置不准确;g)电容接线柱残阻r2确定不准确;h)调谐电容器串联残阻rc确定不准确。C.1.2 高频电容损耗标准器的大损耗值的测量模型与不确定度来源根据本规范中所述的大损耗值校准方法及公式(6),高频电容损耗标准器的大损耗的影响分量主要有:a)测量重复性;b)被校电容损耗标准器的电容值C的测量不准确;c)被校电容损耗标准器的电阻值R测量不准确;d)高频Q表频率f(即角频率=2 f)设置不准确;C.2 输出量标准不确定度分量的评定C.2.1 测量重复性引入的不确定度分量评定取J O-2中的1号1 0p F电容器损耗标准器,在频率1 MH z,温度2 1,湿度4 7%的条件下,重复测量6次,具体测量结果如下:表C.1 J O-2中的1号1 0p F电容器损耗标准器的初损耗值和大损耗的测量结果测量次数测量结果初损耗t a n1大损耗t a n214.11 0-74.7 31 0-421 0.61 0-74.9 11 0-437.31 0-74.8 21 0-441 0.61 0-74.9 51 0-451 0.61 0-74.7 81 0-467.31 0-74.9 41 0-4算术平均值0.8 41 0-74.8 61 0-4实验标准偏差s(D)2.61 0-79.11 0-601J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局表中实验标准偏差按式(C.1)计算:s(D)=ni=1Di-D()2n-1(C.1)根据任意单次测量所得的测量结果(估计值),用统计分析方法计算得到的初损耗和大损耗测量值的实验标准偏差就是测量重复性引入的不确定度分量,分别为:u1 1=s(t a n1)=2.61 0-7u2 1=s(t a n2)=9.11 0-6C.2.2 初损耗各影响量的不确定度分量评定a)接入被校电容损耗标准器前测得的调谐电容器电容值C1的测量不准引起的测量不确定度分量u1 2。根据实验得到其区间半宽度a=21 0-7,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 2为:u1 2=ak=231 0-7=1.11 0-7b)未接被校电容损耗标准器前测得的调谐电容器电容值C2的测量不准引起的测量不确定度分量u1 3。根据实验得到其区间半宽度a=21 0-7,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 3为:u1 3=ak=231 0-7=1.11 0-7c)接入被校电容损耗标准器前测得的Q值Q1的测量不准引起的测量不确定度分量u1 4。根据实验得到其区间半宽度a=0.2 81 0-5,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 4为:u1 4=ak=0.2 831 0-5=1.61 0-6d)未接被校电容损耗标准器前测得的Q值Q2的测量不准引起的测量不确定度分量u1 5。根据实验得到其区间半宽度a=0.2 81 0-5,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 5为:u1 5=ak=0.2 831 0-5=1.61 0-6e)高频Q表频率f设置不准确引入的测量不确定度分量u1 6。根据实验得到其区间半宽度a=71 0-9,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 6为:u1 6=ak=731 0-9=4.01 0-9f)电容接线柱残阻r2确定不准引起的测量不确定度分量u1 7。根据实验得到其区间半宽度a=31 0-7,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 7为:11J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局u1 7=ak=331 0-7=1.71 0-7g)调谐电容器串联残阻rc确定不准引起的测量不确定度分量u1 8。根据实验得到其区间半宽度a=1.61 0-6,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u1 8为:u1 8=ak=1.631 0-6=9.21 0-7C.2.3 大损耗各影响量的不确定度分量评定a)被校电容损耗标准器的电容值C的测量不准引起的测量不确定度分量u1 2。根据实验得到其区间半宽度a=4.91 0-7,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u2 2为:u1 2=ak=4.931 0-7=2.81 0-7b)被校电容损耗标准器的电阻值R测量不准引起的测量不确定度分量u2 3。根据实验得到其区间半宽度a=4.91 0-7,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u2 3为:u2 3=ak=4.931 0-7=2.81 0-7c)高频Q表频率f设置不准确引入的测量不确定度分量u2 4。根据实验得到其区间半宽度a=71 0-9,假设其概率分布为均匀分布,即包含因子k=3,则该不确定度分量u2 4为:u2 4=ak=731 0-9=4.01 0-9C.3 合成标准不确定度由于各标准不确定度分量互不相关,故高频电容的初损耗和大损耗的合成标准不确定度分别为:uc(t a n1)=u21 1+u21 2+u21 3+u21 4+u21 5+u21 6+u21 7+u21 8=2.51 0-6uc(t a n2)=u22 1+u22 2+u22 3+u22 4=9.11 0-6C.4 扩展不确定度评定取k=2,高频电容的初损耗和大损耗的扩展不确定度分别为:U(t a n1)=22.51 0-6=0.51 0-5(k=2)U(t a n2)=29.11 0-6=1.81 0-5(k=2)21J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局附录D并联替代法测量低损耗元件的基本原理D.1 测量原理与公式并联替代法测量低损耗元件的实际测量等效电路如图D.1所示。图D.1 并联替代法应用的等效电路图中,r2,L2 电容接线柱及夹具等的残阻和残感;rc,Lc 调谐电容器的残阻和残感;RV 测试回路等效并联损耗;r1,L1 电感接线柱和引线等残阻和残感;rL,L 辅助线圈的电阻和电感;Ci 调谐电容值。当加载被校损耗标准器时,第一次调谐回路,有:C1Q1=r1+rL2L2+1RV+rc2C21+r2+rx()2C2x(D.1)当未加载被校损耗标准器时,第二次调谐回路,有:C2Q2=r1+rL2L2+1RV+rc2C22(D.2)考虑到Cx=C2-C1,损耗D=Cxrx以及残感Lc和L2的影响,可得到被校损耗标准器的损耗和电容表达式:D=11+2Ce iL2-Ce 1Q2-Q1()C3iQ1Q2-Ce ir2+Ce 1+Ce 2()rc(D.3)C=Ce i1-2Ce iL2(D.4)其中,Ce i=Ce 1-Ce 2=C11-2LcC1-C21-2LcC2忽略二阶小量,损耗D的表达式可以写成:J J F1 7 1 32 0 1 8市场监管总局市场监管总局J J F1 7 1 32 0 1 8D=C2Q2-Q1()C2-C1()Q1Q2+C1-C2()r2+C1+C2()rc(D.5)D.2 电容接线柱及夹具等残阻及调谐电容器等效串联残阻的计算方法通过可变电容器本身总等效电导的变化来确定残感和残阻,具体原理和方法可参阅相关文献。根据多年的实验数据积累,这里可以分别给出计算接线柱残阻r2和调谐电容器等效串联残阻rc的经验公式如下:使用小元件夹具时:r2=2.51 0-3fMH z()1MH z(D.6)使用中元件夹具时:r2=51 0-3fMH z()1MH z(D.7)rc=51 0-3fMH z()1MH z(D.8)市场监管总局市场监管总局