Тел.: (495) 781-4969, 344-6707, E-mail: eliks.mail@eliks.ru
ТОЧНОСТЬ ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ
РАСПРОДАЖА!!!
Читать журнал
"КИПиС"
Корзина 0 позиций
0,00 руб.
Заказать звонок
специалиста
Поиск
Производители
Реклама
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Зарегистрироваться

Как измерить удельное электрическое сопротивление изоляционных материалов с помощью электрометра / измерителя высокого сопротивления Keithley 6517B

Содержание

Введение

Задача измерений электрического сопротивления изолирующих и полуизолирующих материалов очень востребована в практике научных, испытательных и заводских лабораторий, центров по материаловедению и разработке новых материалов и покрытий.

Изоляторы плохо проводят электрический ток и обычно имеют высокое удельное сопротивление в диапазоне от 109 до 1020 Ом·см. Удельное электрическое сопротивление изолятора определяется путем измерения сопротивления с последующим преобразованием его в удельное сопротивление с учетом геометрии образца. Поскольку измеряемый ток обычно очень низкий - в диапазоне наноампер или пикоампер, часто используется электрометр. Электрометр / измеритель высокого сопротивления Keithley 6517B обычно используется для выполнения этих измерений из-за его способности прикладывать высокое измерительное напряжение до ± 1000 В постоянного тока и измерять очень малый ток (входной ток смещения <3 фА) и высокое сопротивление (до 1018 Ом).

Чтобы учесть геометрию образца, следует использовать электроды подходящих размеров для контакта с образцом. Конфигурация электродов зависит от того, измеряется объемное или поверхностное удельное сопротивление. Оснастка Keithley 8009 для измерения удельного сопротивления может использоваться для измерения объемного или поверхностного удельного сопротивления изоляционных материалов.

Стандартные методы испытаний

Удельное сопротивление твердого изоляционного материала обычно измеряется путем получения известного напряжения в течение определенного периода времени и затем измерения результирующего тока. Удельное сопротивление рассчитывается с использованием закона Ома, толщины образца и физических размеров электродов.

Конкретные детали процедуры испытания, включая конфигурацию электродов, подготовку образца, время электризации и другие детали, часто описываются в стандартных методах испытаний, например стандартах ASTM (American Society for Testing and Material).

Два общих стандартных метода испытания удельного сопротивления для изоляционных материалов включают ASTM D-257 «Сопротивление постоянному току или проводимость изоляционных материалов» и IEC 62631-1 «Диэлектрические и резистивные свойства твердых изоляционных материалов». Эти стандарты предоставляют подробную информацию о расчетах, подготовке проб, поправочных коэффициентах и других аспектах измерения. Конфигурации испытаний будут варьироваться в зависимости от того, измеряется ли поверхностное или объемное удельное сопротивление образца.

Поверхностное сопротивление

Конфигурация для измерения удельного сопротивления поверхности с использованием круглых электродов и электрометра 6517B показана на рисунке 1. В этом примере клемма Hi V-Source 6517B подключена к кольцевому электроду, а клемма Hi электрометра 6517B подключена к центральному нижнему электроду. LO электрометра в этой схеме измерения обеспечивает защиту от утечки (Guard) и подключается к верхнему электроду для предотвращения протекания тока утечки через материал. В оснастке Keithley 8009 для испытаний на удельное сопротивление используются круглые электроды, подобные показанным.

Конфигурация для измерения удельного поверхностного сопротивления
Рисунок 1. Конфигурация для измерения удельного поверхностного сопротивления с использованием круглых электродов и электрометра 6517B

Используя эту тестовую конфигурацию и учитывая геометрию электродов (круглые, см. рис. 2), удельное сопротивление поверхности можно рассчитать следующим образом:

σ = Ks × V / I

где:
σ – удельное поверхностное сопротивление в Ом (или Ом / квадрат)
Ks – геометрическая константа, эквивалентная P / g
P – эффективный периметр электрода защиты (см) = πD0
D0 = D1 + g
g – расстояние между электродом защиты и кольцевым электродом (см)
V – приложенное напряжение (вольт)
I – измеренный ток (амперы)

Конфигурация и обозначение размеров круглых электродов
Рисунок 2. Конфигурация и обозначение размеров круглых электродов

При использовании оснастки Keithley 8009 для измерения удельного сопротивления применяются следующие диаметры круглых электродов и зазоры между ними (в дюймах):

D1: 2.000 дюймов
D2: 2,125 дюйма
D3: 2.250 дюйма
g: 0,125 дюйма

Примечание. Следует знать, что геометрические константы тестовой оснастки Keithley 8009 уже заложены в память электрометра Keithley 6517B.

Объемное сопротивление

Объемное сопротивление – это сопротивление току утечки непосредственно через материал. Он определяется как электрическое сопротивление изоляционного материала и выражается в Ом·см. Объемное удельное сопротивление измеряется путем помещения испытуемого образца между двумя электродами, приложения разности потенциалов между ними и измерения результирующего тока с помощью электрометра, такого как Keithley 6517B.

Примечание. В электрометре 6517B и в оснастке 8009 используется технология защиты от утечек «Guard/триаксиал» при измерении малых токов или больших сопротивлений. Суть ее состоит в создании специальных проводящих участков (Guard) на пути следования паразитных токов утечки, которые подключаются к буферному источнику постоянного смещения электрометра. Этим самым прерывается паразитный ток через диэлектрики кабелей или загрязненную поверхность образцов или оснастки. В триаксиальных кабелях, соединяющих электрометр и оснастку, в частности, в качестве GUARD используется дополнительный внутренний экран (еще одна проводящая оплетка между центральной жилой кабеля и внешней экранирующей оплеткой), см. рисунок 3, который подключается к буферному источнику смещения электрометра. Такая технология позволяет избавиться от ошибок измерений сопротивления изолирующих материалов, связанных с утечками в измерительных кабелях и по загрязненной поверхности оснастки и образцов. Аналогичную функцию несет кольцевой электрод в нижней части оснастки Keithley 8009, при измерении объемного сопротивления образца, прерывая паразитные токи утечки между нижним центральным электродом и верхним электродом по поверхности образцов и оснастки.

Принцип работы триаксиального кабеля
Рисунок 3. Принцип работы триаксиального кабеля

Конфигурация для измерения объемного сопротивления образца с использованием круглых электродов и электрометра 6517B показана на рисунке 4. В этом примере клемма HI источника напряжения 6517B подключена к верхнему электроду. Клемма Hi измерительной части электрометра 6517B подключена к центральному (защищенному) электроду. LO электрометра обеспечивает защиту от утечки (Guard) и подключается к кольцевому электроду (который в этой схеме подключения стал GUARD) для предотвращения протекания тока утечки между нижними кольцевым и центральным электродами.

Из этого примера объемное удельное сопротивление можно рассчитать следующим образом:

ρ = KV / t · V / I

где:
ρ – объемное сопротивление (Ом·см)
KV – эффективная площадь электрода защиты для конкретного расположения электродов.

Для круглых электродов KV = π(D1 / 2+ g / 2)²

D1 – внешний диаметр защищаемого электрода
g – расстояние между электродом защиты и кольцевым электродом
t – средняя толщина образца (см)
V – приложенное напряжение (вольт)
I – измеренный ток (амперы)

Конфигурация измерительной системы для измерения объемного удельного сопротивления
Рисунок 4. Конфигурация измерительной системы для измерения объемного удельного сопротивления с использованием круглых электродов и электрометра 6517B

Зависимость от параметров тестирования

Несколько факторов могут повлиять на измерения удельного сопротивления изоляторов, включая приложенное напряжение, время электризации и факторы окружающей среды.

Измерения удельного сопротивления изоляторов зависят от приложенного напряжения. Часто необходимо построить зависимость удельного сопротивления от приложенного напряжения (обычно, удельное сопротивление изоляционных материалов уменьшается с увеличением приложенного тестового напряжения).

Удельное сопротивление изоляторов также зависит и от времени электризации. Чем дольше прикладывается напряжение, тем ниже становится измеряемый ток (и тем выше удельное сопротивление), потому что материал продолжает экспоненциально заряжаться. Обычно используется время электризации 60 секунд. При сравнении образцов всегда важно использовать одинаковое время электризации.

Влажность также сильно влияет на результаты измерения удельного сопротивления поверхности изолятора и, в меньшей степени, на результаты измерения удельного объемного сопротивления. Повышенное содержание влаги в окружающем воздухе приводит к тому, что удельное сопротивление поверхности будет ниже нормального.

Чтобы проводить точные сравнения между конкретными испытаниями, приложенное напряжение, время электрификации и условия окружающей среды должны оставаться постоянными от одного испытания к другому.

Использование электрометра Keithley 6517B и оснастки Keithley 8009 для измерения удельного сопротивления

Благодаря своей способности измерять очень низкий ток, высокое сопротивление и тестовое напряжение до ±1000 В, электрометр / измеритель высокого сопротивления 6517B является идеальным выбором для измерения удельного сопротивления изоляционных материалов. 6517B имеет встроенные тестовые последовательности, которые позволяют пользователю автоматически настраивать измерения удельного сопротивления и сохранять результаты во внутреннем буфере.

Оснастка Keithley 8009 для измерения удельного сопротивления позволяет измерять объемное удельное сопротивление до 1018 Ом·см или поверхностное удельное сопротивление до 1017 Ом. Оснастка Keithley 8009 для испытаний на удельное сопротивление содержит конфигурацию электродов, подобную показанной ранее на рисунке 2. В этом приспособлении для испытаний круглые электроды находятся в экранированной коробке, чтобы минимизировать паразитные электростатические наводки, которые могут вызвать ошибки измерения.

Электроды изготовлены из нержавеющей стали в соответствии со стандартами ASTM и совместимы со стандартом IEC.

У 8009 есть токопроводящие резиновые электроды, которые позволяют ему лучше контактировать с жесткими образцами, такими как эпоксидная смола или керамика. Обратитесь к руководству по эксплуатации 8009 для установки образца изолятора в испытательное приспособление. Если 8009 не подходит для конкретного применения, то процедура ASTM также описывает несколько других конфигураций электродов в зависимости от размера и формы образца.

Подключение электрометра 6517B к приспособлению Keithley 8009
Рисунок 5. Подключение электрометра 6517B к приспособлению Keithley 8009 для измерения удельного сопротивления

Соединения между 6517B и 8009 показаны на рисунке 5. Для оптимизации измерений слабого тока амперметр подключается к испытательной арматуре с помощью малошумящего триаксиального кабеля. Все кабели и адаптеры, необходимые для проведения измерений, входят в комплект испытательного приспособления.

Встроенные последовательности испытаний удельного сопротивления

Электрометр 6517B включает несколько встроенных тестовых последовательностей, включая тесты нормального удельного сопротивления (основанные на стандартных методах тестирования) и тест сопротивления с переменной полярностью / удельного сопротивления. Эти последовательности испытаний можно использовать для упрощения конфигурации передней панели этих измерений удельного сопротивления. Ниже представлен обзор этих методов тестирования. Пожалуйста, обратитесь к Справочному руководству 6517B для получения инструкций по использованию этих тестовых последовательностей.

Испытания на нормальное удельное сопротивление (поверхностное и объемное)

Нормальные испытания удельного сопротивления (как для объемного, так и для поверхностного удельного сопротивления) включают приложение напряжения смещения в течение определенного периода времени (время электризации). По окончании времени электризации измеряется ток и рассчитывается удельное сопротивление с использованием формул для поверхностного и объемного удельного сопротивления, приведенных ранее.

Сопротивление с переменной полярностью / Тест удельного сопротивления

Последовательность испытаний сопротивления / удельного сопротивления с переменной полярностью разработана для улучшения измерений высокого сопротивления / удельного сопротивления за счет устранения влияния фоновых токов на образец. Фоновые токи могут быть вызваны зарядом, накопленным в материале, статическим или трибоэлектрическим зарядом или пьезоэлектрическими эффектами. Если фоновый ток имеет ту же полярность, что и измеренный ток, результирующее измеренное значение тока будет намного выше истинного значения. Если фоновый ток имеет противоположную полярность, эти нежелательные токи могут вызвать считывание тока обратной полярности. Т.е. полярность тока противоположна полярности приложенного напряжения, поэтому рассчитанное сопротивление будет отрицательным.

Тест удельного сопротивления
Рисунок 6. Результаты иттерационного тестирования во временной области изоляционного материала методом переменной полярности

Чтобы преодолеть эти проблемы, используется метод переменной полярности, который может практически устранить влияние фоновых токов на образец.

В методе с переменной полярностью применяется напряжение смещения положительной полярности, затем через заданную задержку измеряется ток. Затем меняют полярность и снова измеряют ток с той же задержкой. Сопротивление рассчитывается на основе средневзвешенного значения последних измерений тока. Затем значение сопротивления преобразуется в значение удельного сопротивления, если измеритель настроен для измерения удельного сопротивления. С помощью этого метода пользователь вводит испытательное напряжение, время измерения и количество итераций. На рисунке 5 показан пример теста на переменную полярность, показывающий приложенное напряжение и результирующий ток выборки, измеренные как функцию времени для типичного образца с высоким сопротивлением.

KickStart High Resistivity Application

Компания Keithley предлагает программное обеспечение для автоматизации измерений удельного сопротивления с использованием как стандартных методов испытаний, так и метода переменной полярности. Приложение KickStart High Resistivity Application выполняет измерения объемного и поверхностного сопротивления изоляторов в соответствии со стандартами ASTM D257 и IEC 62631-3-1. Это приложение разработано для использования с электрометром / измерителем высокого сопротивления Keithley 6517B и приспособлением 8009 для измерения сопротивления. Однако, если у пользователя нет 8009, он может ввести свои собственные геометрические константы на основе своей конфигурации электродов.

Страница настроек приложения KickStart High Resistivity
Рисунок 7. Страница настроек приложения KickStart High Resistivity

На рисунке 7 показан снимок экрана упрощенной страницы настроек удельного сопротивления поверхности. Пользователь выбирает между типами измерения поверхности, объема или сопротивления. Режим измерения может быть установлен на переходную характеристику, нормальную или переменную полярность. Другие настраиваемые параметры включают испытательное напряжение, время испытания, количество показаний, диапазон тока и NPLC. Дополнительная информация о настройках будет описана в следующих параграфах.

Испытание на скачок тестового напряжения
Рисунок 8. Испытание на скачок тестового напряжения реакцию позволяет пользователю определить время электризации, что позволяет добиться согласования с воспроизводимыми результатами измерения удельного сопротивления.

Приложение KickStart High Resistivity можно использовать для:

  • Выполнения скачкообразного роста напряжения, чтобы определить время электризации, соответствующее постоянной времени материала. На рисунке 8 показан снимок экрана программы KickStart, показывающий как ток, так и удельное сопротивление как функцию времени из-за скачка напряжения, приложенного к изоляционному материалу.
  • Наблюдения за зависимостью удельного сопротивления от температуры и относительной влажности, используя дополнительные датчики температуры и влажности для электрометра типа 6517-TP и 6517-RH.
  • Использования техники чередования полярностей для устранения собственных фоновых токов. На рисунке 9 показаны графики метода чередования полярностей из программного обеспечения KickStart.

Результаты испытаний методом переменной полярности
Рисунок 9. Результаты испытаний методом переменной полярности, отображающие ток и удельное сопротивление как функцию времени

На верхнем графике показан ток как функция времени, а на нижнем графике показано удельное сопротивление поверхности.

  • Выполнения измерения нормального удельного сопротивления как функции времени (без изменения полярности), как показано на рисунке 10. Этот нормальный метод соответствует стандарту ASTM D257, а также стандартам IEC-62631-3-1.

Измерения тока и удельного поверхностного сопротивления
Рисунок 10. Измерения тока и удельного поверхностного сопротивления с использованием нормального (стандартного) метода испытаний.

Дополнительные возможности KickStart High

Применение удельного сопротивления:

  • Имеется возможность применять настройки напряжения и времени из стандарта ASTM D257 (обратите внимание, что напряжение, указанное в стандарте IEC-62631-3-1, отличается, но этот пользователь может изменить эту настройку напряжения в KickStart).
  • Включает возможность разгрузки образцов после тестирования. Использует значения времени, рекомендованные стандартом ASTM D257.
  • Предоставляет функцию подключения счетчика 6517B в программном обеспечении, чтобы уменьшить количество внешних подключений, которые необходимо выполнить пользователю.
  • Возвращает результаты измерений в реальном времени, пока выполняется переходная характеристика.
  • Объединяет графические данные на одном экране для упрощения просмотра.
  • Обеспечивает упрощенное отображение данных в виде таблицы, чтобы пользователи могли сосредоточиться на окончательном значении измерения удельного сопротивления.
  • Воспользуйтесь преимуществами многих встроенных функций KickStart 2.x, включая:
    • Автоматически сохраняет все данные в файл и позволяет пользователям получить доступ к истории выполнения
    • Позволяет пользователям легко сравнивать измерения с помощью сравнения истории запусков
    • Включает возможность автоматического экспорта данных в файл.

Загрузите бесплатную пробную версию приложения KickStart High Resistivity по адресу www.tek.com/keithley-kickstart.

Необходимое оборудование

  • Электрометр Keithley 6517B
  • Оснастка для измерения поверхностного и объемного сопротивления Keithley 8009
  • Программный пакет KickStart High Resistivity (на выбор):
    • KICKSTARTFL-HRMA2 – постоянная лицензия (плюс обновления за 1-й год)
    • KICKSTARTFL-HRMA2-AN – лицензия на 1 год


Назад в раздел
Получить измерительные задачи по RSSПолучить измерительные задачи по RSS
Мы используем файлы 'cookie', чтобы обеспечить максимальное удобство пользователям.