中华人民共和国国家标准 工频电场测量 GB T 12720-91 Measurement of power-frequency electric fields 本标准参照采用国际标准1EC833（1987）《工频电场测量》。 1主题内容与适用范围 本标准规定了工频电场测量所使用的术语、测量仪器的基本工作原理、校准和校准检验的方法、 电场强度测量程序以及辨认重要的测量误差源并给出允许的不确定度。 本标准适用于市场上已有的和（或）通用的场强仪对气体中（空间或地面）工频准均匀电场的电场 强度的测量，也适用于按照本标准所描述的程序校正的其它场强仪。 2术语 2.1电场强度 当一导体带电时，导体周围受到影响，因此若一带电粒子被引入此空间，则在任意瞬间均经受到 方向一定的力。即有一电场存在于此空间。在任意点的电场强度是矢量，它等于位于该点单位正电荷 所受的力。在本标准中考虑了二种型式的电场，单相交流电场和三相交流电场。电场强度的大小以每 米的伏特数（V.m）来表示。 2.2单相交流电场 当一个单相电压源连接到一导电的边界面（例如电极）时，在受影响空间的任意点产生沿--固定 轴振荡的电场矢量。 2.3三相交流电场 当一个交流三相电压源分别各连接到一导电的边界面（例如电极）时，通常产生-个在空间旋转 的电场矢量。该旋转矢量描绘一椭圆，它的长半轴代表电场强度最大值的大小和方向，其短半轴代表 电场强度的最小值的大小和方向，且滞后于最大值四分之一周期。在导电界面上，旋转矢量为一振荡 矢量，它的方向垂直于表面。 3电场强度测量仪 3.1概述 在本标准中考虑了三种类型的测量电场强度的仪器。它们是： a.悬浮体型； b．地参考型； c．光电型。 一个电场强度仪一般由探头或传感器和由模拟或数字显示的信号处理电路组成的检测器以及由探 头到检测器的信号传输通道（导线或光纤等）三部分组成。当进行电场强度测量时，观察者必须离探头 足够远，以避免使探头处的电场有明显的畸变（6.2，6.3，6.4条）。探头的尺寸应使得引入探头进行 测量时，产生电场的边界面（带电或接地表面）上的电荷分布没有明显的畸变（4.2，6。2和5.3条）。 当场强仪在均匀电场中校准过后（4.2条），被测电场不需要很均匀（附录A，A7）。场强仪测量振 荡或旋转电场矢量在探头主轴方向上的投影，场强仪读数校准到假定为一纯正弦的电场强度的有效值， 国家技术监督局1991-02-01批准 1991-10-G1实施 标准搜搜网www.bzsoso.com各类标准行业资料免费下载 GB/T 12720- 91 能同时测量空间某一点电场强度的三个正交分量的悬浮体探头（三维探头）可用来测量最大场强。这种 探头在本标准中不详细讨论，因为它们是被认为下面所讨论的悬浮体型场强仪的延伸。 3.2悬浮体场强仪 悬浮体场强仪的工作原理是测量引入到被测电场的一个孤立导体的两部分之间的工频感应电流和 感应电荷。它用于在地面以上的地方测量空间电场，并且不要求一个参考地电位，它通常做成携带式。 悬浮体场强仪的指示器可以放在探头内构成探头的一个组成部分，探头和指示器用一个绝缘手柄或绝 缘体引入电场。还有一种远距离显示电场强度的悬浮体场强仪，信号处理回路的一部分装在探头内， 指示器的其余部分放在一个分开的壳体内并有模拟或数字显示。采用光导纤维把探头和显示单元连接 起来。这种型式的探头也可用一绝缘手柄或绝缘体引入电场。悬浮体场强仪主要用电池供电。 悬浮体场强仪形状示于图1a和图1b。所有的探头可以考虑为偶极子，当球形探头（图1a）位于 一均匀场内，分开两半球的平面垂直于电场，在一个半球上的感应电荷有效值Q为： Q= 3πenr?E （1) 式中：-真空的介电常数； 一球半径； E——均匀电场强度，有效值。 在公式（1）中Q对时间的正弦关系未反映出来，这一做法将贯穿在整个标准中。公式（1）表示 测量感应电荷可度量电场强度。同样，对此电荷采用电子线路微分得到的感应电流／，也可以用来测 定场强： I- 3tnwr?E 表2.) 式中：—角频率（2f）。 对于对称性较差的平行板偶极子（图1b），公式（1）和公式（2）分别以下面形式的公式来代替： Q=KE .(3) l=K@E （4 K是与几何形状有关的一个系数，由校准来确定。平行板场强仪（图1b）也是由测量在板上感 应电荷或感应电流来确定场强的。 3.3地参考场强仪 这种型式的仪器用来测量地面处的场强。探头可以由一块平板和一个安装在薄绝缘层上的接地电 极组成，或者由一薄绝缘层分开的两平行板组成，如图1所示。后者的下板接地。这种情况下的传 感电极用一屏蔽电缆与指示器相联。假定没有电场的边缘效应，在传感电极中的感应电荷由公式（5） 给出： Q=SeE (5) 式中：S—传感平板的面积。 微分感应电荷得到关系： I-SwtE .(6) 因为探头是由平板组成的，它的使用局限于平坦的地面，对界面上电荷分布的畸变通常是不大的。 当探头用于非均匀电场中时，应注意所测场强是在探头表面上的平均场强。地参考型场强仪可以由电 池或交流电源来供电，但要求有参考地电位。 必须注意在图1c中所示探头也可用于带电的平表面，只要指示器的参考电位和带电表面一样。 标准搜搜网www.bzsoso.com各类标准行业资料免费下载 GB/T 12720- 91 在这种情况下，必须采取远距离观察模拟或数字显示的措施（例如使用光纤连接或者从一定距离以外 观察显示）。 3.4光电场强仪 本标准中考虑的光电场强仪利用介质晶体探头中的波克尔氏（Pockels）效应确定电场强度。和 悬浮体场强仪相似，因为它们是携带式的，允许测量空间场强，且不要求有一参考地电位。介质探头 和指示器用光缆连接。光缆将指示器中的光源的光送到探头并从探头传送到指示器 图1d是探头简图，它使用波克尔氏效应，在一个完全定向的介质晶体中，电场引起光的双折射 它的大小正比于场强，通过晶体（该晶体有时被透光的电极覆盖）和有关光元件偏振光的强度被感应 的双折射所调制。透射光1,对入射光1;的比例如下: I+/ l;= (1 + sinM) /2 60（ E F.=. 2nn3cl; >—光的波长; n-—晶体的折射指数； E—一晶体内部的场强； C——光电系数; L——晶体的厚度。 公式(7)中的关系是假定晶体本身不发光，光调制的幅值是晶体内部场强的度量，从而也是外部电 场的间接度量。 标准搜搜网www.bzsoso.com各类标准行业资料免费下载 GB/T12720—91 a球形探头 绝缘 电极 平行板探头 C地参考型探头 光强 E 人射光 时间 偏振片 1/4波感光片 光强 波克尔效应晶体 一检振片 光纤联结 输出光 时间 d光电探头 图1 场强仪的主要形式 标准搜搜网www.bzsoso.com各类标准行业资料免费下载 GB/T 12720-91 4校准电场和校准的检验 4.1概述 ·校准需要一足够大的已知场强的均匀电场，在什么气体中测量就在什么气体中校正。产生校准电 场的装置的理想特性是： &．装置的尺寸足够大，使探头不对产生电场的电极表面上的电荷分布产生明显的干扰； b.均匀场区域足够大，以使在探头位置处场强值的不确定度减小到可接受的水平； c．电场不因邻近物体、地面或进行校准的操作人员而产生明显的畸变。 一旦场强仪在已知场中进行了校准，还需要一个方便的对校准进行检验的方法。 下面叙述-个具有上面所述特性的校准电场装置和对校准过的场强仪的校准作检验的方法。 4.2用平行板产生均匀校准电场 只要板的间距相对板的尺寸来说足够小，用平行板可以产生用于校准的大小和方向已知的均匀场 区域。均匀场强值E为U/d，U是所加的电位差，d是板的间距。图2所示为在板表面和在半无限平 行板中间电场标么值E/Ee的大小对从平板边缘算起的距离标么值X/d的函数。 图2中的曲线和在表1中相应的数值表明在离边缘一个板间距处，由于边缘效应而使均匀度偏离 0.1%，对于有限尺寸的正方形板，当一个边的边缘效应小于0.1%时，可以由叠加来估算四个边的边 缘效应。有限尺寸的平行板间电场的数字计算认为对于从平行板边缘向内个板间距处使用表1中的 结果估计边缘场效应约有0.04%差异。这些结果在没有由于附近的接地物体而产生的畸变时是有效的。 若用中间抽头变压器对平行板加压，这种干扰可以减小。 表1处于平行板中间和板表面上的归一化的电场值 二 平 板 中 间 平 板 表 面 X/d E/E. X/d E/Fs, 0. 069 8 0.837 0.0185 2.449 0.1621 0.894 0.0829 1.414 0.2965 0.949 0.1230 1.265 0.4177 0.975 0.1624 1.183 0.6821 0.995 0.2431 1. 095 0.7934 0.997 0.4376 1.025 1.0000 0.999 0.6861 1.005 0.7954 1. 002 1.0000 1. 001 标准搜搜网www.bzsoso.com各类标准行业资料免费下载 GB/T 12720—91 半无限大平板 E E。= U/d 平板边缘 X/d 2. 2.2 ] E/E. 1.8 电场标么值 平板表面 1.0 0.6 0.2 0.4 0.6 0.8 1. 0 自边缘的距离标么值X/d 图2半无限大平行板间的电场（标么值表示） 图3所示为适合于悬浮体型场强仪校准用的一个例子装置。间距0.75m的金属板或绷紧铺设在 1.5m×1.5m框架的金属网（孔尺寸约1mm），用于构成一平行板结构。此板用一个在输出引出线中 具有合