一种利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，属于计量基标准测试领域。该方法包括：利用中空电补偿电极测得其对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度kONE；利用中空电补偿电极测得其对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL；利用中空电补偿电极监测立式计算电容：在立式计算电容装置长期运行后，在立式计算电容装置中的可动屏蔽电极分别位于最低位和最高位时，利用商用电容电桥分别测量得到两个位置上的中空电补偿电极内的圆环型辅助电极与立式计算电容装置中的每个金属主电极以及全部四个金属主电极的电容值之差，将这五个电容差值与立式计算电容在安装完毕且运行正常时所测量得到的初始标准值相互比较。
【专利说明】
一种利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法
技术领域
[0001] 本发明属于计量基标准测试领域，具体涉及一种利用中空电补偿电极监测立式计 算电容的方法，用于传统电学交流阻抗的溯源源头一一计算电容基准的四电极系统的位置 理想性的监测。
【背景技术】
[0002] 在电磁计量领域内，计算电容是目前除量子电压量子电阻之外具有最高准确度水 平（1(T8)的装置。从量值复现到传递，整个系统较为完整。在电磁计量领域，以至其他计量领 域，计算电容装置都具有重要的作用。它本身是交流阻抗的计量基准，同时与中国已有的量 子霍尔电阻装置相结合，测量精细结构常数，为基本单位建立在基本常数上的重新定义提 供实验数据。
[0003] 计算电容器是以澳大利亚科学家A.M. Thompson和D.G.Lampard共同提出的静电学 原理为基础。该定理指出，截面为任意形状的无限长导电柱面，被四个无限小绝缘间隙分为 四个部分，如图1所示。
[0004]图1中a，0，y和S即为无限小绝缘间隙，将柱面分为四个部分。两个相对的部分之 间存在单位长度电容，分别为CjPC2,人们称之为交叉电容(Cross Capacitor)。该静电学定 理证明，无论在柱面内还是在柱面外，均满足方程：
[0006]其中，C〇=(ere()/3T)ln2,为一常数，er为介质的相对介电常数，e〇为真空介电常数。 当两个交叉电容值非常接近时，可定义两个交叉电容的平均值匕及差值A C，同时将用 和A C表示的交叉电容&和(：2代入到上面的方程式中，并且利用ln(chx)在x非常小时的泰勒 展开式，可以得到两电容平均值C的表达式。
[0008] 当长度为a L时，总电容量为
[0009] C = C- AL - C； AL (3)
[0010] 根据上述分析，可得出如下结论:可任意选择适当形状的截面；当两交叉电容数值 接近时，平均电容C的稳定性极高；电容量可通过轴向长度确定。在真空中，常数Co = eoln (2/31)~2口?/1]1。这说明，单位长度上的电容是与￡()有关的常数，约为2口?/1]1。从这个关系可知 道，如果安排〇.5m的轴向长度，那么可以获得lpF的电容。这是计算电容的一个重要优点，电 容量值仅与长度有关。上述分析还表明，单位长度上的电容与二维场的尺寸无关，一般与形 状关系不大，&和&的差别对上述常数的影响是二阶的。
[0011] 实现上述原理的立式计算电容结构是用四个几乎相碰又彼此绝缘的金属圆柱(称 为金属主电极，图2中的ii)组成一组电容，其外围包有一个接地屏蔽，在中间插入上下各一 根屏蔽电极。下电极固定不动，成为固定屏蔽电极（图中2的iv);上电极可以移动，称为可动 屏蔽电极（图2的iii)。屏蔽电极移动前后，两者之间的距离就是轴向长度A L。整个系统被 一个真空套筒（图2中的i)包围来实现真空，最终采用激光干涉仪来准确测量得到A L，进而 代入公式(3)计算得到计算电容值，如图2所示。但是可动屏蔽电极端部附近的电场与远离 端部的电场是不一样的，这部分电场不是二维场，它的计算不服从于Thompson-Lampard静 电学原理。不过可动屏蔽电极移动前后两次测量的电容值相减，这个端部的影响将会消除 (固定屏蔽电极也有同样的问题，它附近也不是二维场，但也能够通过两次相减消除影响）。 问题是，如果移动前后的两个位置上，四个金属主电极内部空间不一致，例如由于它们相互 不平行及相互歪斜所造成的极间距a(见图4中的a)的不一致，那么这种相减是不能完全消 除影响（指可动屏蔽电极）。这种由可动屏蔽电极端部和主电极不平行联合造成的影响，称 为端部效应误差ACerr。
[0012]由于澳大利亚、美国、英国等三个国家计量院采用的是相同结构的立式计算电容 装置，它们的立式计算电容装置中，都在固定和可动屏蔽电极的末端安装了一个直径较小 的被称为钉子头(英文为Spike)圆柱体。根据美国NIST的实践，在四根电极围成的二维场轴 向不平行度，即极间距a小于O.lMi的情况下，这个装置补偿了端部效应误差，整体不确定度 达到了2X1(T 8,也是目前国际上的最小不确定度。根据该国给出的计算电容不确定度评估 表，四电极系统的几何不完善性（Geometrical imperfections in the calculable capacitor)是最大的不确定度因素，达到15X1(T9,远大于其他的因数，占综合不确定度19 X 10-9 的 3/4。
[0013] 目前，国际上几个主要发达国家计量院均开展了新一代立式计算电容的研究，研 制目标是计算电容复现电容单位法拉的测量不确定度达到IX 1(T8。为此，需要采用必要可 行的补偿手段，将四电极系统的几何不完善性引入的端部效应误差影响降至HT 1()量级。经 过理论分析和实际测量发现，该项最大的不确定度来源主要有以下几个部分组成：
[0014] 1、四个金属主电极本身的表面缺陷及油污等原因导致的各自不圆柱度增加；
[0015] 2、四个金属主电极之间相互不平行和相互歪斜。
[0016] 对于第1点，澳大利亚计量院匪IA和法国计量院LNE通过精密测量和手工研磨相结 合的方法，成功实现了加工完成后的金属主电极的不圆柱度均小于20nm，此时该项因素对 最后的立式计算电容引入的误差将小于1 X 1(T9。
[0017] 对于第2点，人们采用电容传感器技术设计完成了一种高准确的电容电极，通过比 较测量其与四个金属主电极间的电容值之差来进行精确地位置调整；目前澳大利亚计量院 匪IA和中国计量科学研究院OTM均已实现了该项因素对最后的计算电容引入的误差达到1 X10- 9〇
[0018] 经过上述各项改进，四电极系统的几何不完善性剩余部分对计算电容系统的引入 误差将小于2X1(T9。此时，为了进一步补偿剩余误差，国内外主要有两种不同的方法：
[0019] 第一种是国外主要发达国家计量院普遍采用的改良型钉子头（英文为Modified cone-ended spike或者Nosepiece)的机械补偿法，其结构见图3。
[0020] 通过在可动屏蔽电极和固定屏蔽电极的末端，均加装图3所示的带有过渡圆锥面 的直径D且长度L空心圆柱体的改良型钉子头来实现。截至2013年年底，中国计量科学研究 院承担研制完成的新一代立式计算电容装置中采用了如图3所示的改良型钉子头来补偿端 部效应误差A Cerr。经过大量的模型试验和实际测量验证，该机械方法能够将A Cerr补偿后 的剩余误差达到1〇_1()量级。
[0021] 第二种则是中国计量科学研究院张钟华院士以及陆祖良首席研究员在上世纪八 十年代首先提出的电补偿方法，其基本结构和原理如图4所示，包括可动屏蔽电极4-1，电补 偿辅助电极4-4,高电位电极4-2和指零电极4-3。
[0022] 与国外加装钉子头不同的是，电补偿法是在可动屏蔽电极的末端增加一个辅助电 极。该辅助电极加载有一个电位U，并与接地电位的可动屏蔽电极相互绝缘。此时，该电极与 指零电极之间将产生一个漏电容C a，其随主电极极间距a的变化而变大或变小。而端部效应 误差A Cerr与主电极极间距a的变化关系，则是当a减小时而A Cerr随之增大，当a增加时A Cerr相应减小。在经过大量的理论仿真计算，可得知当辅助电极上加载的电位U为负电压时， 将会使(^随 &增大而增大以及随a减小而减小，正好与端部效应误差A Cerr随a的变化关系相 反。此时，将存在一个特定的最佳补偿负电压Ube5St，能够完全补偿掉端部效应误差A CCTr并 使其为零。
[0023]截至目前，电补偿法已经经历了实心黄铜电补偿电极、实心殷钢电补偿辅助电极 以及中空殷钢电补偿电极的三个研发阶段，以上这三种结构均在同一套与现有中国计量科 学研究院新一代立式计算电容主电极系统尺寸一致的模型装置上，与改良型钉子头均做了 端部效应误差的补偿效果对比模型试验。实验结果表明，电补偿法要比改良型钉子头对端 部效应误差的补偿效果更好，能使A Cerr补偿至l(Tn量级。但是，在实际的立式计算电容装 置中，由于激光干涉测长系统需要激光从末端装有电补偿电极的可动屏蔽电极以及末端装 有改良型钉子头的固定屏蔽电极的中轴线传输通过，故而仅有中空殷钢电补偿电极能够符 合要求，其具体结构见图5a和图5b所示。
[0024] 在图5a和图5b中，圆环型辅助电极HAN(两图中的5-2)与基础电极(两图中的5-1) 是通过绝缘性能极好的光学级胶水粘和在一起，实现了两个电极之间的电气绝缘。实际应 用中，圆环型辅助电极HAN可以加载不同极性的交流电压，基础电极则始终接地。
[0025] 然而，当立式计算电容装置运行比较长的时间之后，可能会出现不同原因导致的 四个金属主电极本身位置轻微变化。这些原因主要包括用于固定四个金属主电极的固定螺 栓本身的应力释放以及可动屏蔽电极上下移动时其自身的聚四氟乙烯滑动导环对四个金 属主电极的挤压外推共同造成的各自位置微变。此时，计算电容基准本身的电容值将会有 一定的微小偏差SC出现，进而会影响整个系统的测量准确性。
[0026] 然而，整个测量系统不仅包括计算电容本体，同时还包括用于测量可动屏蔽电极 位移的激光干涉测长系统以及用于将计算电容值传递给商用电容标准器的电容电桥。所 以，SC不能简单的判断是仅仅来自于计算电容本体，而是需要综合上述三个部分进行深入 分析才能确定具体的误差来源。因此，如何在保证本体装置(如图2所示)不拆卸的前提下， 判断出立式计算电容核心部分一一四个金属主电极的本身位置是否发生变化，是一项非常 重要并且十分困难的研究工作。
【发明内容】
[0027] 本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种利用中空电补偿电 极监测立式计算电容的方法，实现对安装调整完毕后的计算电容本体装置中的关键核心部 件一一四个金属主电极的本身位置实时监控测量，为日后的计算电容量值准确溯源传递和 日常运行维护提供重要的参考依据。
[0028] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0029] -种利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，包括：
[0030] 利用中空电补偿电极测得其对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k0NE;
[0031] 利用中空电补偿电极测得其对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度 kALL ；
[0032] 利用中空电补偿电极监测立式计算电容：在立式计算电容装置长期运行后，在立 式计算电容装置中的可动屏蔽电极分别位于最低位和最高位时，利用商用电容电桥分别测 量得到两个位置上的中空电补偿电极内的圆环型辅助电极与立式计算电容装置中的每个 金属主电极以及全部四个金属主电极的电容值之差，将这五个电容差值与立式计算电容在 安装完毕且运行正常时所测量得到的初始标准值相互比较，进而判断长期运行后的立式计 算电容各个金属主电极的位置以及全部四个金属主电极的极间距是否发生改变，若发生改 变，则通过这五个电容差值以及k QNE和kALL计算得到改变量的大小。
[0033] 所述利用中空电补偿电极测试其对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度kQNE是 这样实现的：
[0034] (11)聚四氟乙烯滑动导环的外径为d，以Ad的相同减少量，将两个聚四氟乙烯滑 动导环的外径d均由初始值dl依次减少至(12、(13、(14、(15、(16以及(17，一共制作出7对不同外径的 聚四氟乙烯滑动导环；
[0035] (12)将外径dicU的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模型组件的两端， 然后在屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中空电补偿电极，最后将安 装有两个聚四氟乙烯滑动导环和两个中空电补偿电极的屏蔽电极模型组件整体放置在立 式计算电容模型装置中四个金属主电极的中间位置；
[0036] (13)两个中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN通过微细同轴导线连接至商用电 容电桥的高电位端HI，然后将商用电容电桥的指零端DE接至一个金属主电极，称该金属主 电极为被测金属主电极，另外三个金属主电极全部接地以形成屏蔽保护；
[0037] (14)使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与被测金 属主电极之间的电容Chan-31，该电容值等于商用电容电桥的读数；
[0038] (15)将屏蔽电极模型组件整体从模型装置中取出，用两个d = cU的聚四氟乙烯滑 动导环替换原来的两个聚四氟乙烯滑动导环，1 = 2,3,4,5,6,7，然后重复步骤（12)至步骤 (14)，依次得到 C_-3i，i = 2,3,4,5,6,7;
[0039] (16)将以上6组di和C_-3i，i = 2,3,4,5,6,7,分别与cU和C_-31进行相减，得到6组 八(11/2和八〇^- 31，1 = 2,3,4,5,6,7，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，得到的拟 合公式中的斜率值h的一半即是中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏 度，BPk〇NE = ki/2。
[0040] 所述步骤(16)中的对该系列数据进行一次线性拟合处理是这样实现的：
[0041 ]将A di/2作为横坐标，将A CHAN-3i作为纵坐标，按照下面的一次线性拟合公式进行 拟合：
[0043]所述利用中空电补偿电极测试其对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏 度kALL是这样实现的：
[0044] (21)聚四氟乙烯滑动导环的外径为d，以Ad的相同减少量，将两个聚四氟乙烯滑 动导环的外径d均由初始值dl依次减少至(12、(13、(14、(15、(16以及(17，一共制作出7对不同外径的 聚四氟乙烯滑动导环；
[0045] (22)将外径(1 = ^的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模型组件的两端， 然后在屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中空电补偿电极，最后将安 装有两个聚四氟乙烯滑动导环和两个中空电补偿电极的屏蔽电极模型组件整体放置在立 式计算电容模型装置中四个金属主电极的中间位置；
[0046] (23)两个中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN通过微细同轴导线连接至商用电 容电桥的高电位端HI，然后将商用电容电桥的指零端DE接至一个专用的一转四BNC转接头 的一端，而该转接头的另外四端则分别用四根相同长度的同轴电缆连接至全部四个金属主 电极的外接同轴接头；
[0047] (24)使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与全部四 个金属主电极的电容Chan-alxi，该电容值等于商用电容电桥的读数；
[0048] (25)将屏蔽电极模型组件整体从立式计算电容模型装置中取出，用两个d = cU的 聚四氟乙烯滑动导环替换原来的两个聚四氟乙烯滑动导环，1 = 2,3,4,5,6,7，然后重复步 骤(22)至步骤(24)，依次得到Chan-ALLi，i = 2,3,4,5,6,7;
[0049] (26)将以上6组di和Chan-alu，i = 2,3,4,5,6,7,分别与 cU和Chan-alli进行相减，得到6 组A cU/2和A Chmh，i = 2，3，4，5，6，7，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，得到的 拟合公式中的斜率值1?的一半即是中空电补偿电极对全部四根主电极位置变化的测量灵 敏度，即 = k2/2。
[0050] 所述步骤(26)中的对该系列数据进行一次线性拟合处理是这样实现的：
[0051 ]将A di/2作为横坐标，将A CHAN-mi作为纵坐标，按照下面的一次线性拟合公式进 行拟合：
[0053]所述步骤（12)和步骤(22)中的立式计算电容模型装置的四个金属主电极的机械 尺寸与实际立式计算电容的四个金属主电极的尺寸一致。
[0054]所述步骤（12)和步骤(22)中的将外径dicU的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏 蔽电极模型组件的两端，然后在屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中 空电补偿电极是这样实现的：
[0055] 在所述屏蔽电极模型组件的屏蔽主体的两端均有台阶，将两个所述聚四氟乙烯滑 动导环分别安装到两端的台阶处；
[0056] 在屏蔽主体的两端均设有香蕉插头;两个香蕉插头的一个末端分别插入一个中空 电补偿电极中，两个香蕉插头的另一个末端分别与连接导线连接。
[0057]所述步骤（16)和步骤（26)中的A cU/2为屏蔽电极模型组件偏离四个金属主电极 中轴线的距离，用来模拟其中的某一个金属主电极远离中轴线的情况。
[0058] 所述利用中空电补偿电极监测立式计算电容是这样实现的：
[0059] (31)在立式计算电容的安装期间，使用专用的可测微距的电容电极工具以及专用 工具调整四个金属主电极的各自空间物理位置，直至彼此之间的相互不平行量及相互歪斜 量均小于50nm，此时认定四个金属主电极的相互间位置是理想的；
[0060] (32)将中空电补偿电极安装到立式计算电容的可动屏蔽电极的末端，同时将改良 型钉子头安装到固定屏蔽电极的末端，然后将可动屏蔽电极和固定屏蔽电极分别沿着立式 计算电容本体的四个金属主电极中轴线安装完成；
[0061] (33)将中空电补偿电极的圆环型辅助电极焊接一根微型同轴导线，并将该微型同 轴导线的芯线和皮线分别焊接至安装在底部外真空筒侧面的多芯连接器插座中的两个相 邻芯针上；
[0062] (34)将商用电容电桥的高电位端用一条双绞在一起的两根同轴电缆中的一根通 过BNC转多芯的转接线连接至所述多芯连接器插座中的相同两个相邻芯针上，实现其与中 空电补偿电极的圆环型辅助电极的电气连接；同时，将商用电容电桥的指零端用同一条双 绞在一起的两根同轴电缆中的另一根分别依次连接至立式计算电容本体的四个金属主电 极的外接同轴接头，以及连接至一个专用的一转四BNC转接头的一端，而该转接头的另外四 端则分别用四根相同长度的同轴电缆连接至全部四个金属主电极的外接同轴接头；
[0063] (35)将可动屏蔽电极先移动并停留在最低端位置，即计算电容值为0.2pF处，然后 使用商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的圆环型辅助电极与每个金属主电极 以及全部四个金属主电极之间的共计5个电容值；
[0064] (36)将可动屏蔽电极后移动并停留在最高端位置，即计算电容值为0.6pF处，然后 使用商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的辅助电极与每个金属主电极以及全 部四个金属主电极之间的共计5个电容值；
[0065] (37)将步骤(35)和步骤(36)得到的两组共计10个电容值--对应相减，得到5个 电容差值，记录这些值为初始标准值；
[0066] (38)当立式计算电容安装完毕且正常运行一段时间之后，若出现经该立式计算电 容和电容电桥的传递数据发生不正常变化时，重复步骤(35)和步骤(36)得到另外两组共计 10个电容值，并且将这些电容值一一对应相减，得到5个电容差值，记录这些值为监控测量 值；
[0067] (39)将步骤(38)得到的监控测量值与步骤(37)得到的初始标准值进行比较，如果 监控测量值与初始标准值不同，则证明四个金属主电极的位置有变化，然后再利用监控测 量值与初始标准值的差值、中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k 〇NE 以及对全部金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL推断出各个金属主电极的位置变化量 以及全部四个金属主电极的极间距变化量，完成对立式计算电容的监测，具体如下：
[0068] 设定5个监控测量值与初始标准值的差值分别是A d，A C2，A C3，A C4和A Call，则 各个金属主电极对应的位置偏移量分别为：
[0069] A Ci/kciNE，A C2/kciNE, A C3/kciNE和 A CVkoNE;
[0070] 全部金属主电极极间距的变化量为A CALL/kALL。
[0071 ]所述步骤(34)中的商用电容电桥采用分辨率达到0.5aF的商用电容电桥AH2700A。
[0072]与现有技术相比，本发明的有益效果是：目前，国际上尚无能够监控长期运行下的 立式计算电容本体四个金属主电极的物理位置变化的方法和技术。本发明首先提出了一种 能够确定中空电补偿电极的圆环型辅助电极分别对单个金属主电极位置变化的测量灵敏 度k_以及对全部金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL的测量方法，然后依据k_以及 kALL即可实现在保证立式计算电容本体装置不拆卸的前提下对长期运行后的其核心部分四 个金属主电极的物理位置是否发生变化的准确有效判断，从而填补了该项技术空白。
【附图说明】
[0073]图1立式计算电容的原理图 [0074]图2立式计算电容的示意图 [0075]图3改良型钉子头的结构示意图 [0076]图4电补偿方法的原理示意图 [0077]图5a中空电补偿电极的左视图 [0078]图5b中空电补偿电极的主视图
[0079] 图6中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度kQNE的测试装置原 理图
[0080] 图7中空电补偿电极对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL的测试 装置原理图
[0081] 图8加装两个中空电补偿电极的屏蔽电极模型组件。
【具体实施方式】
[0082]下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0083] 本发明首先提出了一种中空电补偿电极分别对单个金属主电极位置变化的测量 灵敏度kQNE以对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL的测试方法；同时又提出 了一种中空电补偿电极对实际立式计算电容的监控测量方法，即在立式计算电容装置中的 可动屏蔽电极分别位于最低位和最高位时，利用商用电容电桥分别测量得到两个位置上的 中空电补偿电极结构内的圆环型辅助电极与立式计算电容装置中的每个金属主电极以及 全部四个金属主电极的电容值之差，将这五个电容差值与安装完毕且运行正常时所测量得 到的初始值相互比较，可判断长期运行后的立式计算电容四个主电极位置是否发生改变， 以及若确实发生改变则可通过这些差值以及k QNE和kALL计算得到改变量的大小。
[0084] 在具体的实施过程中，用于模型实验的屏蔽电极模型组件见图8,其中屏蔽主体21 的直径为22mm，材料为黄铜;铜管22的外径为2.5mm，材料为黄铜；同轴插座24是22MMCX微型 同轴插座，材料是全镀金的紫铜;适配器23的材料是黄铜;工程塑料管25的外径是3mm，内径 与铜管22紧配合;滑动导环27的初始外径是25mm，内径是22mm，材料是聚四氟乙烯;连接导 线26是直径1mm的聚四氟乙烯外皮和直径0.3mm的全铜铜芯，其一端与同轴插座24的末端软 焊接在一起，另一端分别与两个直径2mm的香蕉插头29的一个末端软焊接在一起;两个香蕉 插头29的另一个末端各插入两个中空电补偿电极28中。
[0085] 模型装置所设计的四根主电极的尺寸与实际新一代计算电容的主电极一致，直径 5 0mm，总长4 7 0mm，材料316 L号无磁不锈钢，同时各对相邻主电极的相互间隙为3 ? 0 3 3mm，各 对相对主电极的相对距离（即极间距a)为25mm，与屏蔽电极模型组件中的两个导向环7的外 径一致，四根主电极的同一端均设有BNC同轴插座。
[0086] 电容电桥采用的是高精度商用电容电桥，采用美国AH公司生产的AH2700A，其测量 电容的分辨率是〇. 5aF，电桥电源设置为15V，运行工作频率为1 kHz。
[0087] 一种中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度kQNE的测试方法， 如图6所示，所述方法包括以下步骤：
[0088] (1)聚四氟乙烯滑动导环9的外径为d，以A d = 0.40mm的相同减少量，将两个聚四 氟乙稀滑动导环9的外径d均由初始值di = 25.00mm依次减少至d2 = 24.60mm，d3 = 24.20mm， ck = 23.80mm，ds = 23.40mm，d6 = 23.00mm 以及 ch = 22.60mm，一共制作出 7对不同外径的聚四 氟乙烯滑动导环；
[0089] (2)将外径dicUiSS. 00mm的两个聚四氟乙烯滑动导环9安装在屏蔽电极模型组 件的屏蔽主体10的两端，然后接着安装同一型号规格的两个中空电补偿电极8,最后整体放 置在计算电容模型装置中四个金属主电极的中间位置；
[0090] (3)两个中空电补偿电极9的圆环型辅助电极HAN则通过微细同轴导线连接至商用 电容电桥7的高电位端HI，然后商用电容电桥7的指零端DE接至一个金属主电极3,另外三个 金属主电极1，2和4全部接地以形成屏蔽保护；
[0091] (4)然后使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与金 属主电极3之间的电容Chan- 31(其电容值等于商用电容电桥的读数），Chan-31 = 106704.65aF;
[0092] (5)将屏蔽电极模型组件从模型装置中取出，除了将步骤(2)中的两个聚四氟乙烯 导环替换成外径为 d = d2 = 24 ? 60mm，d = d3 = 24.20，d = d4 = 23 ? 80mm，d = d5 = 23 ? 40mm，d = d6 =23 ? 00mm和d = d7 = 22.60mm，重复步骤（2)至步骤(4)，依次可得到Chan-32 = 109270 ? 05aF、 Chan-33 = 112716 ? OOaF、Chan-34 = 116726 ? 73aF、Chan-35 = 12 1 589 ? 10aF、Chan-36= 124993 ? 50aF和 Chan-37 = 128448.45aF ；
[0093] (6)依据以上 6 组 di(i = 2,3,4,5,6,7WPC_-3i(i = 2,3,4,5,6,7A1_ddPC_-3i 进行相减，将得到 A d2/2 = 0.20mm和 A Chan-32 = 2 5 6 5.40aF、A d3/2 = 0.40mm和 A Chan-33 = 6011.35aF、A d4/2 = 0.60mm和 A Chan-34= 10022.08aF、A d5/2 = 0.80mm和 A Chan-35 = 14884 ? 45aF、A d6/2 = 1 ? 00mm和 A Chan-36 = 18288 ? 85aF以及 A d7/2 = 1 ? 20mm和 A Chan-37 = 21743.80aF，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，可以得到该拟合线性曲线的斜率 为匕=19.655aF/wii。该斜率值是两个同一规格尺寸的中空电补偿电极的测量灵敏度之和， 因此中空电补偿电极对单个主电极位置变化的测量灵敏度1?^ = 1〇/2 = 9.828&?/仰1。
[0094] 一种中空电补偿电极对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL的测试 方法，如图7所示，所述方法包括以下步骤：
[0095] (1)如图4所示，聚四氟乙烯滑动导环9的外径为d，以A d = 0.40mm的相同减少量， 将两个聚四氟乙稀滑动导环的外径d均由初始值di = 25.00mm依次减少至d2 = 24.60mm，d3 = 24.20mm，ck = 23 ? 80mm，d5 = 23 ? 40mm，d6 = 23 ? 00mm以及 ch = 22 ? 60mm，一共制作出 7对不同外 径的聚四氟乙烯滑动导环；
[0096] (2)将外径dicUiSS. 00mm的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模型组件 10的两端，然后接着安装同一型号规格的两个中空电补偿电极8,最后整体放置在计算电容 模型装置中四个金属主电极（图中的1，2,3和4,它们的机械尺寸与实际立式计算电容的金 属主电极尺寸一致)的中间位置；
[0097] (3)两个中空电补偿电极的圆环型辅助电极（图中的HAN)则通过微细同轴导线连 接至商用电容电桥7的高电位端（图中的HI)，然后商用电容电桥7的指零端（图中的DE)接至 一个专用的一转四BNC转接头的一端，而该转接头的另外四端则分别用四根相同长度的同 轴电缆连接至全部四个金属主电极的外接同轴接头；
[0098] (4)然后使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与全 部四个金属主电极的电容之和Chan-alli (其电容值等于商用电容电桥的读数），Chan-alli = 425961.30aF；
[0099] (5)将屏蔽电极模型组件从模型装置中取出，除了将步骤(2)中的两个聚四氟乙烯 导环替换成外径为 d = d2 = 24 ? 60mm，d = d3 = 24.20，d = d4 = 23 ? 80mm，d = d5 = 23 ? 40mm，d = d6 =23 ? 00mm和d = ch = 22 ? 60mm，重复步骤（2)至步骤(4)，依次可得到Chan-all2 = 425001 ? OOaF、 Chan-all3 = 426327.78aFN Chan-all4 = 42733 1.58aFN Chan-alls = 428668.90aF nChan-all6 = 430033 ? 55aF 和 Chan-all7 = 431795 ? 80aF;
[0100] (6)依据以上 6 组6(1 = 2,3,4,5,6,7)和(：刚-31(1 = 2,3,4,5,6,7)分别与(11和 C_-alli进行相减，将得到 A d2/2 = 0 ? 20mm和 A C_-all2 = -960 ? 30aF、A d3/2 = 0 ? 40mm和 A Chan-ALL3 = 366.47aF、A d4/2 = 0.60mm和 A Chan-ALL4=1370.27aF、A d5/2 = 0.80mm和 A Chan-alls =2707 ? 60aF、A d6/2 = 1 ? 00mm和 A C_-alls = 4072 ? 25aF以及 A ch/2 = 1 ? 20mm和 A C_-all7 = 5834.50aF，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，可以得到该拟合线性曲线的斜率为 k2 = 6.633aF/wii。该斜率值是两个同一规格尺寸的中空电补偿电极的测量灵敏度之和，因 此中空电补偿电极对全部四个主电极位置变化的测量灵敏度kALL = k2/2 = 3.316aF/wii。
[0101 ]图6和图7中的标注5和6都是主电极1(2)的两个末端屏蔽电极，在实际测试中，5和 6全部要接地电位，以形成对主电极1(2)的屏蔽保护。
[0102] 图6和图7中标注的1(2)和3(4)中的括号是表示后面的主电极被前面的挡住了。
[0103] -种中空电补偿电极对实际立式计算电容的监控测量方法，所述方法包括以下步 骤：
[0104] (1)在立式计算电容装置的安装期间，使用专用的可测微距的电容电极测量以及 专用微调工具调整四个金属主电极（图1中的ii)的各自空间物理位置，直至彼此之间的相 互不平行量26nm及相互歪斜量小于50nm，此时认定四个金属主电极的相互间位置是理想 的。
[0105] (2)将中空电补偿电极安装到可动屏蔽电极（图1中的iii)的末端，同时将改良型 钉子头安装到固定屏蔽电极（图1中的iv)的末端。然后将可动屏蔽电极和固定屏蔽电极分 别沿着立式计算电容本体的四个金属主电极中轴线安装完成；
[0106] (3)将中空电补偿电极的辅助电极焊接一根微型同轴导线，并将该导线的芯线和 皮线分别焊接至安装在底部外真空筒侧面的多芯连接器插座中的两个相邻芯针上。
[0107] (4)将分辨率达到0.5aF的商用电容电桥AH2700A的高电位端HI用一条双绞在一起 的两根同轴电缆中的一根，通过BNC转多芯的转接线，连接至所述多芯连接器插座中的相同 两个相邻芯针上，实现其与中空电补偿电极的圆环型辅助电极的电气连接；同时，将商用电 容电桥的指零端用同一条双绞在一起的两根同轴电缆中的另一根分别依次连接至立式计 算电容本体的四个金属主电极的外接同轴接头，以及连接至一个专用的一转四BNC转接头 的一端，而该转接头的另外四端则分别用四根相同长度的同轴电缆连接至全部四个金属主 电极的外接同轴接头；
[0108] (5)将可动屏蔽电极先移动并停留在最低端位置(计算电容值为0.2pF)，然后使用 商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的圆环型辅助电极与每个金属主电极以及 全部四个金属主电极之间的共计5个电容值，即Chan-i|o.2PF = 54451.33aF、CHAN-2|q.2Pf = 53420.61aF、Chan-3 |〇.2pF = 53139. llaF、Chan-4 |〇.2pF = 53072.99aF 以及 Chan-all | o. 2pF = 212980.65aF；
[0109] (6)将可动屏蔽电极后移动并停留在最高端位置(计算电容值为0.6pF)，然后使用 商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的圆环型辅助电极与每个金属主电极以及 全部四个金属主电极之间的共计5个电容值，即Chan-i|o.6PF = 54448.98aF、CHAN-2|q.6Pf = 53278.88aF、Chan-31 o. 6pF = 52008 ? 09aF、Chan-4 |〇.6pF = 53212.09aF 以及Chan-all | o. 6pF = 212947.64aF；
[0110] (7)将步骤(6)和步骤(5)得到的两组共计10个电容值--对应相减，得到5个电容 差值，记录这些值为初始标准值，即A Chan-11棚=8 ? 65aF、A Chan-2 _= 1 ? 26aF、A C_-31補台 =-l .03aF、A Chan-4|補台=_0.90aF以及 A Chan-ALL|W6=_2.01aF;
[0111] (8)在安装完毕计算电容本体之后，正常运行一段时间之后，发现计算电容经电容 电桥传递给商用熔融石英电容器的电容值发生了较为明显的误差;使用同一台商用电容电 桥AH2700A，在不拆卸计算电容本体装置的前提下，重复再次重复步骤(5)和步骤(6)得到另 外两组共计10个电容值，分别记录为并且将这些电容值一一对应相减，得到5个电容差值， 记录这些值为监控测量值.ACHAN-i|!ias=8.65aF、ACHAN-2|!!as=-3.74aF、ACHAN-3|!!as=-4.03aF、A Chan-4|腿=2.10aF以及 A Chan-ALL|!igs=8.60aF;
[0112] (9)将得到步骤(8)得到的监控测量值与步骤(7)得到的初始标准值比较，显然发 现四根主电极的位置均发生了一定的轻微变化，依据之前得到的中空电补偿电极对单个金 属主电极位置变化和全部金属主电极极间距变化的测量灵敏度kQNE = 9.828aF/wii以及kALL =3.316aF/wii，可以得到监控得到的各个金属主电极的位置变化量以及全部金属主电极的 极间距变化量，它们分别为主电极1位置变化量〇. 88wn，主电极2位置变化量0.38wn，主电极 3位置变化量0.41wn、主电极4的位置变化量0.21wii以及全部四个金属主电极的极间距变化 量2.59wn，显然已经在不拆卸计算电容本体装置的前提下，实现了对四个金属主电极的位 置轻微变化的监控测量。
[0113]上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本 发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本 发明上述【具体实施方式】所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制 性的意义。
【主权项】
1. 一种利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于:所述方法包括： 利用中空电补偿电极测得其对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k0NE; 利用中空电补偿电极测得其对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL; 利用中空电补偿电极监测立式计算电容：在立式计算电容装置长期运行后，在立式计 算电容装置中的可动屏蔽电极分别位于最低位和最高位时，利用商用电容电桥分别测量得 到两个位置上的中空电补偿电极内的圆环型辅助电极与立式计算电容装置中的每个金属 主电极以及全部四个金属主电极的电容值之差，将这五个电容差值与立式计算电容在安装 完毕且运行正常时所测量得到的初始标准值相互比较，进而判断长期运行后的立式计算电 容各个金属主电极的位置以及全部四个金属主电极的极间距是否发生改变，若发生改变， 则通过这五个电容差值以及k QNE和kALL计算得到改变量的大小。2. 根据权利要求1所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述利用中空电补偿电极测试其对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k_是这样实现 的： (11) 聚四氟乙烯滑动导环的外径为d，以Ad的相同减少量，将两个聚四氟乙烯滑动导 环的外径d均由初始值dl依次减少至(12、(13、(14、(15、(16以及(17，一共制作出7对不同外径的聚四 氟乙烯滑动导环； (12) 将外径(1 = ^的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模型组件的两端，然后在 屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中空电补偿电极，最后将安装有两 个聚四氟乙烯滑动导环和两个中空电补偿电极的屏蔽电极模型组件整体放置在立式计算 电容模型装置中四个金属主电极的中间位置； (13) 两个中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN通过微细同轴导线连接至商用电容电 桥的高电位端HI，然后将商用电容电桥的指零端DE接至一个金属主电极，称该金属主电极 为被测金属主电极，另外三个金属主电极全部接地以形成屏蔽保护； (14) 使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与被测金属主 电极之间的电容Chan-31，该电容值等于商用电容电桥的读数； (15) 将屏蔽电极模型组件整体从模型装置中取出，用两个d = cU的聚四氟乙烯滑动导环 替换原来的两个聚四氟乙烯滑动导环，1 = 2,3,4,5,6,7，然后重复步骤(12)至步骤(14)，依 次得到 C_-3i，i = 2,3,4,5,6,7; (16) 将以上6组di和CHAN-3i，i = 2,3,4,5,6,7,分别与cb和Chan-31进行相减，得到6组A di/ 2和八〇^-31，1 = 2,3,4,5,6,7，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，得到的拟合公式 中的斜率值ki的一半即是中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k QNE = ki/2〇3. 根据权利要求2所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述步骤(16)中的对该系列数据进行一次线性拟合处理是这样实现的： 将A cU/2作为横坐标，将A Chan-3i作为纵坐标，按照下面的一次线性拟合公式进行拟合：4. 根据权利要求3所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述利用中空电补偿电极测试其对全部四个金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL是这 样实现的： (21) 聚四氟乙烯滑动导环的外径为d，以Ad的相同减少量，将两个聚四氟乙烯滑动导 环的外径d均由初始值dl依次减少至(12、(13、(14、(15、(16以及(17，一共制作出7对不同外径的聚四 氟乙烯滑动导环； (22) 将外径(1 = ^的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模型组件的两端，然后在 屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中空电补偿电极，最后将安装有两 个聚四氟乙烯滑动导环和两个中空电补偿电极的屏蔽电极模型组件整体放置在立式计算 电容模型装置中四个金属主电极的中间位置； (23) 两个中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN通过微细同轴导线连接至商用电容电 桥的高电位端HI，然后将商用电容电桥的指零端DE接至一个一转四BNC转接头的一端，该转 接头的另外四端则分别用四根相同长度的同轴电缆连接至全部四个金属主电极的外接同 轴接头； (24) 使用商用电容电桥测量得到中空电补偿电极的圆环型辅助电极HAN与全部四个金 属主电极的电容Chan-alxi，该电容值等于商用电容电桥的读数； (25) 将屏蔽电极模型组件整体从立式计算电容模型装置中取出，用两个d = cU的聚四氟 乙烯滑动导环替换原来的两个聚四氟乙烯滑动导环，丨=2,3,4,5,6,7，然后重复步骤(22) 至步骤(24)，依次得到Chan-ALLi，i = 2,3,4,5,6,7; (26) 将以上6组di和Chan-ALLi，i = 2,3,4,5,6,7,分别与cU和Chan-alli进行相减，得到6组A cU/2和A Chm-alu，i = 2，3，4，5，6，7，然后对该系列数据进行一次线性拟合处理，得到的拟合 公式中的斜率值1?的一半即是中空电补偿电极对全部四根主电极位置变化的测量灵敏度， 即 kALL = k2/2〇5. 根据权利要求4所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述步骤(26)中的对该系列数据进行一次线性拟合处理是这样实现的： 将A cU/2作为横坐标，将A Chm-alu作为纵坐标，按照下面的一次线性拟合公式进行拟 合：6. 根据权利要求5所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述步骤（12)和步骤(22)中的立式计算电容模型装置的四个金属主电极的机械尺寸与实 际立式计算电容的四个金属主电极的尺寸一致。7. 根据权利要求6所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述步骤（12)和步骤(22)中的将外径dicU的两个聚四氟乙烯滑动导环安装在屏蔽电极模 型组件的两端，然后在屏蔽电极模型组件的两个末端安装同一型号规格的两个中空电补偿 电极是这样实现的： 在所述屏蔽电极模型组件的屏蔽主体的两端均有台阶，将两个所述聚四氟乙烯滑动导 环分别安装到两端的台阶处； 在屏蔽主体的两端均有香蕉插头;两个香蕉插头的一个末端分别插入一个中空电补偿 电极中，两个香蕉插头的另一个末端分别与连接导线连接。8. 根据权利要求7所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述步骤（16)和步骤(26)中的A cU/2为屏蔽电极模型组件偏离四个金属主电极中轴线的 距离，用来模拟其中的某一个金属主电极远离中轴线的情况。9. 根据权利要求8所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在于： 所述利用中空电补偿电极监测立式计算电容是这样实现的： (31) 在立式计算电容的安装期间，使用专用的可测微距的电容电极工具以及专用微调 工具调整四个金属主电极的各自空间物理位置，直至彼此之间的相互不平行量及相互歪斜 量均小于50nm，此时认定四个金属主电极的相互间位置是理想的； (32) 将中空电补偿电极安装到立式计算电容的可动屏蔽电极的末端，同时将改良型钉 子头安装到固定屏蔽电极的末端，然后将可动屏蔽电极和固定屏蔽电极分别沿着立式计算 电容本体的四个金属主电极中轴线安装完成； (33) 将中空电补偿电极的圆环型辅助电极焊接一根微型同轴导线，并将该微型同轴导 线的芯线和皮线分别焊接至安装在底部外真空筒侧面的多芯连接器插座中的两个相邻芯 针上； (34) 将商用电容电桥的高电位端用一条双绞在一起的两根同轴电缆中的一根通过BNC 转多芯的转接线连接至所述多芯连接器插座中的相同两个相邻芯针上，实现其与中空电补 偿电极的圆环型辅助电极的电气连接；同时，将商用电容电桥的指零端用同一条双绞在一 起的两根同轴电缆中的另一根分别依次连接至立式计算电容本体的四个金属主电极的外 接同轴接头，以及连接至一个专用的一转四BNC转接头的一端，而该转接头的另外四端则分 别用四根相同长度的同轴电缆连接至全部四个金属主电极的外接同轴接头； (35) 将可动屏蔽电极先移动并停留在最低端位置，即计算电容值为0.2pF处，然后使用 商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的圆环型辅助电极与每个金属主电极以及 全部四个金属主电极之间的共计5个电容值； (36) 将可动屏蔽电极后移动并停留在最高端位置，即计算电容值为0.6pF处，然后使用 商用电容电桥依次测量并记录中空电补偿电极的圆环型辅助电极与每个金属主电极以及 全部四个金属主电极之间的共计5个电容值； (37) 将步骤(35)和步骤(36)得到的两组共计10个电容值一一对应相减，得到5个电容 差值，记录这些值为初始标准值； (38) 当立式计算电容安装完毕且正常运行一段时间之后，若出现经该立式计算电容和 电容电桥的传递数据发生不正常变化时，重复步骤(35)和步骤(36)得到另外两组共计10个 电容值，并且将这些电容值一一对应相减，得到5个电容差值，记录这些值为监控测量值； (39) 将步骤(38)得到的监控测量值与步骤(37)得到的初始标准值进行比较，如果监控 测量值与初始标准值不同，则证明四个金属主电极的位置有变化，然后再利用监控测量值 与初始标准值的差值、中空电补偿电极对单个金属主电极位置变化的测量灵敏度k_以及 对全部金属主电极极间距变化的测量灵敏度kALL推断出各个金属主电极的位置变化量以及 全部四个金属主电极的极间距变化量，完成对立式计算电容的监测，具体如下： 设定5个监控测量值与初始标准值的差值分别是A d，A C2，A C3，A C4和A Call，则各个 金属主电极对应的位置偏移量分别为：ACl/kciNE, AC2/kciNE, AC3/kciNE和AC4/kciNE;全部四个 金属主电极的极间距变化量为：ACALL/kALLo10. 根据权利要求9所述的利用中空电补偿电极监测立式计算电容的方法，其特征在 于:所述步骤(34)中的商用电容电桥采用分辨率达到0.5aF的商用电容电桥AH2700A。
【文档编号】G01R27/26GK106053951SQ201610333557
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】黄璐, 杨雁, 陆祖良, 王维, 陆文俊, 贺青
【申请人】中国计量科学研究院