DE1934084C3 - Verfahren zur Ermittlung der komplexen Dielektrizitätskonstanten eines Materials und Einrichtung zur Durchführung desselben - Google Patents

Description

= CtI

cc,

( I

ti.

wobei C)i die komplexe Kapazitätsgröße ohne Material, Jder Abstand zwischen der Oberfläche des Materials und den Elektroden und E₀ die Dielektrizi- >«, tätskonstante des Vakuums ist.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Hauptelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Zusatzelektrode (2) enthält, wobei eine der genannten Hauptelektroden (3) mit einer Quelle (4) von höherem Potential und die andere (1) mit einer Quelle (5) von in bezug auf das erstere niedrigerem Potential verbunden ist, während die Zusatzelektrode (2) über einen Schalter (7) wechselweise an eine dieser Quellen anschließbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 12, 13) zumindestens in drei Gruppen (1, II, 111) zusammengefaßt sind, deren jede mindestens drei hintereinander angeordnete Elektroden (1,2,3; 8,9, 10; 11, 12, 13) enthält, wobei wahlweise die Randelektroden (1,3; 8, 10; 11, 13) jeder Gruppe (I,

II, HI) mit der Quelle niedrigeren Potentials (5) und die mittleren Elektroden (2; 9; 12) mit der Quelle (4) höheren Potentials verbindbar sind, oder sämtliche Elektroden (1, 2, 3; 11, 12, 13) der Randgruppen (1, III) an die Quelle von niedrigerem Potential und sämtliche Elektroden (8,9,10) der mittleren Gruppe (II) an die Quelle (5) von höherem Potential anschließbar sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des vorstehenden Anspruches 1. Sie findet Anwendung in der Elektromeßtechnik für die Messung dielektrischer Eigenschaften von verschiedenen Materialien, und kann zur Messung der reellen Komponente und des Verlustfaktors der Dielektrizitätskonstante bei einseitiger Erreichbarkeit des zu untersuchenden Materials eingesetzt werden.

Es ist ein Meßverfahren zur Bestimmung dielektiischer Eigenschaften von Materialien bekannt, wobei die Ermittlune von mindestens zwei komplexen Kapazitätsgrößen mittels an das zu untersuchende Material angelegter, mit bestimmten Potentialen verbundener Elektroden (UdSSR Urheberschein Nr. 2 16 807) erfolgt. Es ist in diesem Zusammenhang auch eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten eines Materials bei dessen einseitiger Erreichbarkeit bekannt.

Die bekannte Einrichtung weist einige an die Oberfläche des zu untersuchenden Materials angelegte und mit den Klemmen eines Generators in ständiger Verbindung stehende Elektroden auf. während die dielektrischen Eigenschaften nach der komplexen Kapazität zwischen den Klemmen des erwähnten Generators bestimmt werden.

Beim bekannten Verfahren sind an die geometrischen Verhältnisse der Elektroden zusätzliche Forderungen zu stellen, beispielsweise an die Form und die Abmessungen von Bandelektroden. Diese Bedingungen sind nur in einem schmalen Änderungsbereich der Dielektrizitätskonstanten erfüllbar.

Gleichzeitig besitzen die bekannten Einrichtungen eine geringe Meßgenauigkeit; denn die Genauigkeit hängt von der Reinheit der Oberfläche des zu untersuchenden Materials und vom Abstand an oder zwischen den Oberflächen, an die die Elektroden angelegt werden, und den Elektroden selbst ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der komplexen Dielektrizitätskonstanten eines Materials und eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu entwickeln, wobei der Einfluß der Reinheit der Oberfläche des zu untersuchenden Materials sowie des Abstandes zwischen dieser Oberfläche und den Elektroden auf die Meßergebnisse eliminiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Verwendung der Zusatzelektrode können im einfachsten Fall des Einsatzes von zwei Hauptelektroden zwei Gleichungen ausgewertet werden, in denen die beiden vorgenannten Störfaktoren eliminiert sind. Das System ist vorteilhaft auch bei einer größeren Anzahl von geometrischen Störfaktoren anwendbar.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 gekennzeichnet.

Es ist zweckmäßig, die genannten Elektroden in mindestens drei Gruppen zusammenzufassen, in deren jeder es mindestens drei hintereinander angeordnete Elektroden gibt, wobei bei einer Messung der komplexen Kapazität die Randelcktroden jeder Gruppe mit der Quelle von niedrigerem Potential und die anderen mit der Quelle von in bezug auf das erstere höherem Potential verbunden sind, während bei der anderen Messung sämtliche Elektroden der ersten und der dritten Gruppe an die Quelle von niedrigerem und sämtliche Elektroden der mittleren Gruppe an die Quelle von höherem Potential angeschaltet werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit drei Elektroden,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung mit Elektrodengruppen.

Die Größen der komplexen Kapazitäten von an die Oberfläche des zu untersuchenden Materials angelegten Elektroden erhält mar, durch Änderung der Anordnung

der Potentialverteilung an diesen Elektroden, beispielsweise durch Variation der Anordnung der an die Klemme mit einem höheren bzw. niedrigeren Potential anzuschließenden Elektroden.

Im allgemeinen besitzen die Größen der komplexen Kapazitäten eine funktioneile Abhängigkeit von der komplexen Dielektrizitätskonstante des Materials und vom Abstand zwischen der Oberfläche des zu untersuchenden Materials, auf die die Elektroden gelegt werden, und den Elektroden selbst.

Eine derartige Abhängigkeit kann in Form eines Cleichungssystems mit zwei Unbekannten, nämlich der Dielektrizitätskonstanten und des Abstandes, dargestellt werden:

C₁ = ./,

C₂ = J₂

ti).

(1)

(21

wobei Q und Ci die bei zwei verschiedenen Anordnun- -,₀ gen der an die Klemme mit einem höheren bzw. niedrigeren Potential anzuschließenden Elektroden gemessenen komplexen Kapazitäten, e die komplexe Dielektrizitätskonstante des zu untersuchenden Materials, d den Abstand zwischen der Oberfläche des zu ₂s untersuchenden Materials und den Elektroden bedeuten.

Bei einer größeren Anzahl der in Betracht zu riehenden geometrischen Verhältnisse, beispielsweise tei gleichzeitiger Berücksichtigung der Dielektrizitäts- ,₀ konstanten, Abstandsgröße und Dicke des zu untersuchenden Materials selbst, ist es notwendig, drei verschiedene Varianten der Anordnung der an die Klemme mit einem höheren bzw. niederigeren Potential anzuschließenden Elektroden zu schaffen und die drei «labei erhaltenen verschiedenen komplexen Kapazitätsgrößen zu messen.

Bevorzugt wird vom Standpunkt der konstruktiven Ausführung eine derartige Einrichtung, in der sich die Absolutwerte der komplexen Kapazitäten bei verschiedenen Anordnungen der Potentialverteilung an den Elektroden voneinander größtmöglich unterscheiden.

Die Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Messung dielektrischer Eigenschaften von Materialien ♦nthält mindestens drei Elektroden 1, 2 und 3, deren ₄<, tine, beispielsweise die Elektrode 3, mit der Quelle von liöherem Potential, beispielsweise mit der Ausgangsklemme 4 des Generators (nicht gezeigt), die andere mit der Ausgangsklemme 5 von niedrigerem Potential desselben Generators verbunden ist und die dritte, eine iusatzelektrode 2, wird im Verlauf des Meßverfahrens tür Bestimmung der drei komplexen Kapa?hätsgrößcn tn eine der genannten Klemmen 4 oder 5 abwechselnd angeschlossen. Diese drei Elektroden 1, 2 und 3 werden in das zu untersuchende Material 6 angelegt.

Zur Umschaltung der Zusatzelektrode 2 kann ein •blicher mechanischer Schalter 7 eingesetzt werden, der in einer Stellung, beispielsweise in der Stellung »a«, diese Elektrode mit der Klemme 4 von höherem !»otential, in der anderen Stellung »ö« dagegen diese mit no der Klemme 5 von niedrigerem Potential verbindet.

Vorzugsweise wird bei einer beliebigen Lage des Schalters 7 an die Randelektroden ein niedrigeres Potential geliefert. Hierbei übernehmen diese Elektroden zugleich die Funktion der Erregung des elektro magnetischen Feldes in dem zu untersuchenden Material 6 und stellen einen die Umgebungseinflüsse auf die Meßergebnisse behebenden Schirm dar.

Die Einrichtung kann beispielsweise in Form von drei Elektrodengruppen i, II und IiI ausgeführt sein, in deren jeder es drei hintereinander angeordnete Elektroden gibt:

Gruppe 1 enthält Elektroden 1,2 und 3;
Gruppe H enthält Elektroden 8,9 und 10;
Gruppe III enthält Elektroden 11,12und 13.

Darüber hinaus ist zu demselben Zweck, wie im obenerwähnten Beispiel mit drei Elektroden, ein Schalter 7 mit zwei Stellungen eingesetzt, der in einer Stellung »a« die Randelektroden 1, 3, 8, 10, 11, 13 jeder Gruppe I, II und III mit der Klemme 5 von niedrigerem Potential und die mittleren Elektroden 2,9 und 12 dieser Gruppen mit der Klemme 4 von höherem Potential verbindet, während in der anderen Stellung »ίχ< dieser Schalter sämtliche Elektroden 1, 2, 3 und 11, 12, 13 der Randgruppen 1 und III mit der Klemme 5 von niedrigerem Potential und sämtliche Elektroden 8,9 und 10 der mittleren Gruppe If mit der Klemme 4 von höherem Potential verbindet.

In diesen zwei Stellungen »a« und »b«. des Zweistellenschalters 7 führt man mindestens zwei Messungen der komplexen Kapazitä; durch.

Indem man die Anzahl und Anordnung der an die Klemme mit einem höheren bzw. niedrigeren Potential anzuschließenden Elektroden variiert, kann man die erforderliche Anzahl von verschiedenen komplexen Kapazitätsgrößen erhalten.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende.

Beim Umlegen des Schalters 7 in die Stellung »a« entsteht in dem zu untersuchenden Material ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien sich zwischen den Elektroden 1, 2 und 3, wie dies in der F i g. 1 durch eine gestrichelte Linie bedingt angedeutet ist, schließen. Die in dieser Lage des Schalters 7 zwischen den Klemmen 4 und 5 gemessene komplexe Kapazität kann in erster Näherung beispielsweise in der Form geschrieben werden

G₁

₁ I

cd !

wobei G)! — die komplexe Kapazitälsgröße zwischen den Klemmen 4 und 5 beim Fehlen des zu untersuchenden Materials und beim Einstellen des Umschalters in die Stellung »a«, ε₀ — die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums.

Das zweite bzw. dritte Glied der Beziehung (3) ist der Änderung der komplexen Kapazität Ci in Abhängigkeit von der komplexen Dielektrizitätskonstanten und vom Abstand »</« gleich.

Einen anderen Wert der komplexen Kapazität erhält man, indem man den Schalter 7 in die Stellung »ix< umstellt, bei der sich die in Fig.! durch ausgezogene Linien bedingt angedeuteten Kraftlinien des elektrischen Feldes 6 in dem zu untersuchenden Material zwischen den Elektroden 1 und 2, 3 schließen, und die !'omplexe Kapazität kann dementsprechend in der Form dargestellt werden

rc,

wo Gu — komplexe Kapazilätsgröße zwischen den

Klemmen 4 und 5 beim Fehlen des zu untersuchenden Materials und beim Einstellen des Schalters 7 in die Stellung »ix<.

Das Meßergebnis wird aus den an Hand der Beziehungen (3), (4) erhaltenen komplexen Kapa/itätsgrößen Ci und Cz errechnet, wobei die endgültige Form der ersteren von der Geometrie der Elektroden und von der erforderlichen Genauigkeit abhängt.

Falls die Einrichtung in Form von drei Elcktrodengruppen I, H und III (Fi g. 2) ausgeführt ist. deren jede je drei hintereinander angeordnete Elektroden 1,2, 3; 8,9, 10 und 11, 12, 13 enthält, schließen sieh die Kraftlinien des elektrischen Feldes in Stellung »a« des Schalters 7 in dem zu untersuchenden Material nur zwischen den Elektroden innerhalb jeder einzelnen Gruppe, nämlich zwischen den Elektroden 1, 3 und 2, 8, 10 und 9 und H₁ 13 und 12, wie dies in der Fig. 2 durch ausgezogene Linien bedingt dargestellt ist. Die in dieser Stellung des Schalters 7 zwischen den Klemmen 4 und 5 gemessene komplexe Kapazität kann durch den Ausdruck (2) geschrieben werden. Beim Umstellen des Schalters 7 in die Stellung »fx< wird an alle Elektroden in jeder Gruppe ein gleiches Potential gegeben, und die Kraftlinien, wie

dies in F i g. 2 durch gestrichelte Linien bedingi angedeutet ist. schließen sich nur /wischen der Elektroden der verschiedenen Gruppen I. Il und III. Die in dieser Stellung des Schallers 7 gemessene komplexe Kapazität kann beispielsweise durch den Ausdruck (4 dargestellt werden.

Das Meßergebnis wird nach den beiden Messungor erhaltenen komplexen Kapazita'tsgrößen bestimmt.

Der Vorteil der in Fig. 2 dargestellten F.inrichmnj: besteht darin, daß an die Randelektroden ein mit den der Umgebungsgegenstände übereinstimmendes Polen tial geliefert werden kann, was die möglichen Fehler bc deren Verschiebung in bezug auf das zu prüfende Material ausschließt.

Die Einrichtung ist am wirksamsten bei dci Durchführung einer Kontrolle von dielektrischen unt mit ihnen funktional zusammenhängenden elcktrophysi sehen Eigenschaften der Werkstoffe unmittelbar an der Erzeugnissen ohne deren Zerstörung oder Anwendung von Proben und ohne daß der Elektrodcnflächc de< Meßkondensators und der Oberfläche des zu untersuchenden Materials besondere Kontaktverhältnisse abgefordert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung der komplexen Dielektrizitätskonstanten eines Materials, wobei unter Anlegen von mit bestimmten Potentialen verbundenen Elektroden mindestens zwei Kapazitätsmeßwerte ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Hauptelektroden und mindestens eine Zusatzelektrode verwendet werden, daß die Kapazitätsmeßwerte (G, C2...) durch Änderung der Potentialverteilung an den Elektroden ermittelt werden und die komplexe Dielektrizitätskonstante (ε) durch einer der Anzahl der Kapazitätsmeßwerte (Ci, C2...) entsprechenden Zahl von Gleichungen bestimmt wird, die die Abhängigkeit der Kapazitätswerte von der komple- «en Dielektrizitätskonstante darstellt, gemäß