DE2002168B2

DE2002168B2 - Dielektrisches Feuchte-Messgerät

Info

Publication number: DE2002168B2
Application number: DE2002168A
Authority: DE
Inventors: Bunjiro Hamamutsu Ichijo (Japan)
Original assignee: KETT ELECTRIC LABORATORY TOKIO
Current assignee: KETT ELECTRIC LABORATORY TOKIO
Priority date: 1969-04-21
Filing date: 1970-01-19
Publication date: 1974-09-05
Also published as: SU518163A3; US3622875A; GB1299203A; JPS4835040B1; DE2002168C3; DE2002168A1

Description

Es hat sich gezeigt, daß die bekannten Geräte den neueren Bedürfnissen insofern nicht mehr genügen, wenn der Parallelwiderstand von Meßproben bis zu 3kU hinabreicht und der Kapazitätsbereich sich von 1O"² bis l0³pF bei 2MHz erstreckt. Auch ist s die Nullpunktkonstanz während des Betriebes bei den bekannten Geräten nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, die vorstehend erwähnten Bedingungen zu erfüllen und eine Anordnung zu schaffen, die zur Messung von Materialien geeignet ist, die einen vergleichsweise hohen Hochfrequenzverlustfaktor aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß der Meßkreis und der Hilfsresonanzkreis des Meßresonanz-Stromkreises in Reihe geschaltet sind und einen Reihenresonanzstromkreis bilden und die Komponenten des Hochfrequenzoszillator-Stromkreises und des Meßresonanz-Stromkreises so bemessen sind, daß sie durch die Einstellung des zweiten veränderlichen KondensatorsfC,.) der folgenden Bedingung genügen:

minators hervorgeht, wenn eine Meßprobe an die Meßschaltung angeschlossen wird.

F i g. 1 a zeigt einen Hoehfrequenzaszillatar-Stromkreis OSL stabiler Frequenz mit ein«?r Selbstinduktion L₀ und einem Kondensator C₀, die einen Oszillatorschwingkreis bilden. Mit r. ist der innere Widerstand des Hochfrequenzoszilfators und mit R₀ ein äquivalenter Parallelwiderstand bezeichnet, der den Verlust in dem Oszillatorschwingkreis darstellt; vorausgesetzt wird R₀ » r_p. Mit /₀, I_x, L₁ und C_x sind Komponenten eines Meß-Resonanzstromkreises bezeichnet. Ein Hochfrequenz-Koaxialkabel ist zwischen I_x und L₁ eingefügt, so daß ein Meßabschnitt längs des Kabels an eine beliebige Stelle bewegt werden kann. Ein veränderlicher Kondensator C_e ist parallel an die Verbindungsstelle zwischen I_x Und L₁ angeschlossen, er schließt auch die Eigenkapazität des Kabels ein, die sich über dessen Länge verteilt.

F i g. 1 b zeigt eine Abwandlung eines Teils der Meßschaltung aus Fig. la. Hierbei ist C_p gegeben durch

Ml

IR₁ + r,(\

^c' = T-

C₁

L_xC_x

hieri:i sind r_p und ω der innere Widerstand bzw. die Kreisfrequenz des Hochfrequenzoszillators, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion (L₀) und einem Kondensator (C₀) gebildet wird, L₀ ist die Selbst- _J0 induktion der Erstwicklung eines Übertragers und M₀ die Gegeninduktivität desselben, R₁ stellt den Reihenwiderstand der Spulen im Hilfsresonanzkreis dar, Z₁ ist die Summe aus der Selbstinduktion Z₀ und aus der Selbstinduktion I_x der Primärwicklung des Kupplungstransformators, C_e ist die Kapazität des zweiten veränderlichen Kondensators im Hilfsresonanzkreis, und τ, ist der resultierende Reihenwiderstand des Meßkreises einschließlich dem Reihenwiderstand, der dem Hochfrequenzverlust der Meßprobe entspricht, die mit dem Meßkreis verbunden ist.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß der Parallelwiderstand von Meßproben bis zu 3kQ hinabreicht und der Kapazitätsmeßbereich sich von 10~² bis K)³ pF bei 2 MHz erstrecken kann und daß sich eine Nullpunktkonstanz von weniger als 0,5 μΑ über mehrere Stunden Betrieb erreichen läßt. Der industrielle Anwendungsbereich ist dadurch wesentlich erweitert.

In den F i g. 1 bis 3 der Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt und nachstehend näher erläutert. Es zeigt

F i g. la ein Schaltbild eines dielektrischen Feuchtemeßgerätes mit direkter Ablesung zum Messen des Wassergehalts einer Meßprobe gemäß der Erfindung,

F i g. Ib ein Ersatzschaltbild des Meßkreises der in Fig. la gezeigten vollständigen Schaltung, an die Meßproben parallel mit veränderbaren Kapazitäten angeschlossen werden sollen,

F i g. 2 ein schematisches Schaltbild eines Phasendiskriminators zur Feststellung und Anzeige einer Phasenabweichung der festgestellten Spannung,

F i g. 3a ein Vektordiagramm, aus dem die Phasenbeziehung der Eingangsspannung des Phasendiskriminators hervorgeht, wenn keine Meßprobe an die Meßschaltung angeschlossen wird, und

F i g. 3b ein Vektordiagramm, aus dem die Phasenbeziehung der Eingangsspannungen des Phasendiskriworin u, die Kreisfrequenz des Oszillators OSC ist. Wenii die Schaltung durch Einstellung der Werte von C₁, nämlich von C_p und C_e abgestimmt wird, ist ein Hochfrequenzstrom I_x, der durch die in F i g. I b gegebene Meßschaltung fließt, gegeben durch

R₁ + r_x(\ -

(2)

wobei e eine Spannung bezeichnet, die dem Meßresonanzstromkreis zugeführt wird, R, den Widerstand der Spulen in dem Hilfsresonanzkreis, r, den Widerstand des Meßteils und Z, die Summe aus Z₀ und Z_x. Demgemäß gilt

αϊ M-,

Durch die Induktivität L₀ des Osziüatorschwingkreises fließt ein Hochfreqtienzstrom /₀, die im Meßresonanzstromkreis induzierte elektromotorische Kraft wird ausgedrückt durch e = H)M₀I₀ und ebenso e₀ = 01L₀I₀, so daß

vorausgesetzt, daß HiL₀ » r' ist, wobei

und M₀ die Gegeninduktivität zwischen I₀ und L₀ ist. Wenn r' in einen Widerstand R_p umgewandelt wird, der parallel zu L₀ und C₀ geschaltet ist, wird R_p ausgedrückt durcl:

R, =

2 002

168 ί

Wenn der äquivalente Parallclwidersiand R₁, des durch .

Oszillatorschwingkreises sehr groß gegen R_p e₀ = e,x -j γ=~ . (5)

(R₀ > R_p) vorausgesetzt wird, wird e_n ausgedrückt ' ⁺ ^rp'^Kp

Ersetzt man R₁, durch die Gleichung (4) in der obigen Gleichung (ü), so erhält man

Daraus folgt

_ e„ _

T\K + Μ' - 0,²I₁Cf) + M₀ r_p] M₁L_nIR, +r.(l -0,²Z₁C)Ve.

Ml M₀ L₀ {R₁ + r, (1 - „² Z₁C)²} · e, ₍₇₎

Aus den Gleichungen (3) und (7) erhält man

. Si A/f _ I - ο

^t-TT?- ■ (8)

Nimmt man nun an, daß die Werte von M_n und der e_x überträgt. Zur Veranschaulichung der Phasen-C in geeigneter Weise eingestellt sind, um die fol- beziehung der Eingangsspannung des Phasendiskrigende Beziehung zu erfüllen minators sind e_p + e_x in den F i g. 3a und 3b als

_{2 2} 35 Vektoren im Vektordiagramm dargestellt. F i g. 3a

Mlr_p » JL₀(R₁ +r,(l - r„ /,C) , (9) _{ste]U die} Verhältnisse dar für den Fall, daß keine

Meßprobe an die Meßschaltung angeschlossen ist.

dann gilt während in F i g. 3b die Meßprobe angeschlossen ist.

Die aus der Summe der Vektoren e_p und e_x jeweils ₂ 40 resultierenden Spannungsvektoren sind mit e_rl bzw.

τ » ~hr {R, + r,(l - ,,.²Z₁C )²} ^e'2 ^{und e}'i ^bzw· ^e«·'? bezeichnet.

M₀ ' Wenn dtr in F i g. 2 gezeigte Phasendiskriminator

eine Rechteckkennlinie besitzt und wenn ©die Phasenwinkelabweichung von e'_x gegenüber e_x infolge von

Der Vergleich der obigen Gleichung mit der 45 IC_P darstellt (Fig. 3b), ist ein Ausgangsstrom I₉ Gleichung (4) führt zu dem Ergebnis r_p » R_p. Infolge des Phasendiskriminators gegeben durch der obigen Beziehung läßt sich gleichzeitig die Gleichung (8) vereinfachen zu ,AV .Q ,,_n,

I₉- 4Ke_xe_p ■ tang©, (10)

f«M₂Loe_s 5°

^e* ⁼ —Wr ' wobei K eine Konstante des Hilfsresonanzkreises isi

⁰ " und tang θ gegeben ist durch

Der Ausdruck (8)' zeigt, daß r, in keiner Beziehung ,. _ IC_P

zu e_x steht. 55 ^g „>(C_P + C_pf {R, + r, (1 - ,,,²IC₁.))² '

Auch die Gleichung (6) kann vereinfacht werden zu

Aus der Gleichung (1) läßt sich ,1 C_p ausdrucken durc M₁L₀[R₁ + r,(1 - ,,.²Z₁C)²I ■ e_t

Die Phasendifferenz zwischen e_p und e_x soll 90

sein. Die Spannung e_p wird an einen Mittelabgriff Daher wird die Phasenabweichung von e_x infolj

einer Sekundärwicklung eines Transformators gelegt. einer kleinen Änderung IC, in Ci zu

IC₁ 1

tang H - - _j(Ci -₊ _cj , _{R) +} - ₍, _ -i _{h c}j-- ■ jrz^Jl-^cJ ■ (1' >

Ersetzt man C_r in der obigen Gleichung (II) durch C_r in der Gleichung (I). so erhält man

Ju/·*■-'■»

...Cf [ I + ^/ (I - '-.²L₁C₁)J² ',R₁ + r, Il - -.²Z₁C,)²!

Die Gleichung für die Abstimmbedingung ist Die Gleichung (13) zeigt, daß der Ausgangsstrom l_t

der Kapazitätsänderung IC₁ direkt proportional ist

C₁ \ is und in keiner Beziehung zu dem Ausdruck steht, der

+ j -",.",²LC / ⁼ ' den Verlust in dem Abstimmkreis darstellt. Wenn die

" ' ' Meßschaltung gemäß Fig. ta durch Schließen eines

Schalters S mit der Meßprobe C_x, R_x verbunden wird.

Aus der obigen Gleichung kann die folgende führt der Zeiger des Phasendiskriminators eine Be-Gleichung abgeleitet werden jo wegung entsprechend /_# = uC_t aus. die unabhängig

von dem Wert von R_x ist. Das beschriebene Meß-

C ι gerät kann als Kapazitätsmesser mit direkter Ablesung

I + ~(1 - ("²L₁C,)= . ^. ^ verwendet werden, der durch die Widerstandskompo-

¹ '" ι . nentc einer Meßprobe nicht beeinflußt wird, wie

ι? durch die Gleichung(13) angegeben wird, wenn die

Daher kann die Gleichung für tang <■> umgcwandell Schaltungsparametcr IVf₀ und C, so eingestellt werden, werden in daß sie die in der Gleichung (9) gezeigte Bedingung

erfüllen. Im Falle einer praktischen Messung wird

(1 - H₁ ²I₁C,,)² IC₁ _Ί der Reihenwiderstand r,, der dem Widerstand R_x der

tang H = _νιςϊΤγ( +r(i -,.,"²TcJ²! ³° M^eßp^rODe äquivalent ist. welch letzterer parallel

zu dem veränderbaren Kondensator C₁ geschaltet ist. dargestellt durch

Setzt man die Gleichungen (6)'. (8)' und (12) in die

Gleichung (IO)ein, die den Ausgangsstrom /„darstellt. ^ _ '

erhält man 35 . * '" ^i Rχ

M M₂ L^ c² (1 - »ι² Ζ, C,.)² ■ IC₁ Dc Gesamtwiderstand r, des Meßteils ist daher ge-

/₉ = 4fC · -~ * ζ-'i'^fi^J ~ · (13) geben als T₁=^r₁+ r_x. so daß es notwendig ist. ir

¹ ° ^r der Bcstimmungsgleichung (9) r, durch r, >:u ersetzen

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

«09 536/1

r~

Claims

Patentanspruch:

Dielektrisches Meßgerät zum Messen des Wassergebaltes einer Meßprobe mit einem Hochfrequenzoszillator, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion und einem Kondensator gebildet wird, mit einem Meß-Resonanzstromkrejs, der einen Meßkreis und einen Hilfsresonanzkreis enthält, von denen der Meßkreis aus der Reihenschaltung einer Hauptspule mit einem ersten veränderlichen Kondensator besteht, zu dem die Meßprobe parallel geschaltet ist, und der Hilfsresooanzkreis aus einem eine Zweitwicklung aufweisenden Übertrager mit Erstwicklung und Induktion besteht und die Zweitwicklung mit der Primärwicklung eines Kupplungstransformators in Reihe geschaltet ist, zu denen beiden ein veränderlicher zweiter Kondensator parallel geschaltet ist; und mit einem Phasendiskriminator-Stromkreis, der eine Sekundärwicklung des Kupplungstransformators enthält, dessen Primärwicklung in dem Hilfsresonanzkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis und der Hilfsresonanzkreis des Meß-Resonanzstromkreises in Reihe geschaltet sind und eii.en Reihenstromkreis bilden, und die Komponenten des Hochfrequenzoszillator-Stromkreises und des Meß-Resonanzstromkreises so bemessen sind, daß sie durch die Einstellung des zweiten veränderlichen Ken- densators(C_e) der folgenden Bedingung genügen:

hierin sind r_p und «> der innere Widerstand bzw. die Kreisfrequenz des Hochfrequenzoszillators, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion (L₀) und einem Kondensator (C₀) gebildet wird. L₀ ist die Selbstinduktion der Erstwicklung eines überträgers und M₀ die Gsgeninduktiviiät desselben, R₁ stellt den Reihenwiderstand der Spulen im Hilfsresonanzkreis dar, /, ist die Summe aus der Selbstinduktion /₀ und aus der Selbstinduktion I_x der Primärwicklung des Kupplungstransformators, C_e ist die Kapazität des zweiten veränderlichen Kondensators im Hilfsresonanzkreis, und r, ist der resultierende Reihenwiderstand des Meßkreises einschließlich dem Reihenwiderstand, der dem Hochfrequenzverlust der Meßprobe entspricht, die mit dem Meßkreis verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ein dielektrisches Meßgerät zur Messung des Wassergehaltes einer Meßprobe mit einem Hochfrequenzoszillator, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion und einem Kondensator gebildet wird, mit einem Meß-Resonanzstromkreis, der einen Meßkreis und einen Hilfsresonanzkreis enthält, von denen der Meßkreis aus der Reihenschaltung einer Hauptspule mit einem ersten veränderlichen Kondensator besteht, zu dem die Meßprobe parallel geschaltet ist, und der Hilfsresonanzkreis aus einem eine Zweitwicklung aufweisenden Übertrager mit Erstwicklung und Induktion besteht und die Zweitwicklung mit der Primärwicklung eines Kuppfungstmns ormators in Reihe geschaltet .st. zu denen SSSm ein veränderlicher zweiter Kondensator paral el geschaltet ist, und mit «nem Phasendiskriminator-Stromkreis. der eine Sekundärwicklung dlsKupplungstransformators enthält, dessen Primärwicklung in dem Hilfsresonanzkreis hegt.

Meßgeräte dieser Art sind bekannt. So beschreibt W L üTkin »Feuchtigkeit«. VerlagR. O denbourg München/Wien. 1964, auf den S. 209, 221 und 222 Resonanz-Kreisschaltungen, in denen der dielektrische Verlustfaktor (DV) keinen oder nur einen geringen Einfluß auf das Meßergebnis ausübt und bei Anwendung von Brückenscbaltungen die getrennte Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten (DK) und de,

DV ermöglichen.

Nachteilig ist hierbei der erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand bei Einstellung der Kapazität C, und Ermittlung von C_n, sowie die geun.,- uenuuigk«! der Meßmethode.

Grundsätzlich ist also bekannt, die Anzeige deWassergehaltes nicht durch die Widerstandskörper nente einer Meßprobe zu beeinflussen, sondern die-e nur der tatsächlichen Änderung der DielektnzitaN konstanten infolge einer Änderung des Wassergehalte. der Meßprobe entsprechen zu lassen, wobei eine ausreichende Bewegung des Zeigers bei auch nur kleine; Änderung der Kapazität erwünscht ist.

In einer anderen bekanntgewordenen Anordnung deutsche Auslegeschrift 1 271 823, wird eine Schaltung ^ur direkten Ablesung des Wassergehaltes einer Meßprobe beschrieben. Dies wird durch die Messung einer sehr kleinen Blindwiderstandskomponente eine, Meßprobe erreicht, die unbeeinflußt von Schwankungen in den Umgebungsbedingungen oder Änderungen in der Oszillatorfrequenz des Hochfrequenzgenerators erfolgt. Die hierfür verwendete Schaltung besteht aus einem Hochfreque^oszillator bestimmter Kreisfrequenz, dessen Schwingungskreis aus einer Selbstinduktion und einem Kondensator gebildet wird, einer Meßschaltung, deren Hilfsresonanzkreis aus einem eine Zweitwicklung aufweisenden übertrager mit Erstwicklung und Induktion sowie einem veränderlichen Kondensator und deren Meßresonanzkreis aus Haupfspule mit einem zur Meßprobe parallel zu schaltenden veränderlichen Kondensator besteht, und einem Phasendiskriminator mit einer Sekundärspule, die mit der Wicklung des Hilfsresonanzkreises den übertrager für die Phasenabweichung des in dem Resonanzkreis fließenden Stromes in Abhängigkeit von der Meßprobe bildet, wobei die Kopplung der Kreise so eingestellt ist, daß der Wirkwiderstand des Prüflings nicht in die Messung eingeht. In der bekannten Anordnung sind also zwei zueinander parallel geschaltete Resonanzkreise vorgesehen und ein Hilfsresonanzkreis, die miteinander vermittels eines Kondensators (C₀) oder einer Gegeninduktivität (M₀) gekoppelt sind. Dieser Schaltungsaufbau ist abweichend von dem der vorliegenden Erfindung, in der eine Meßresonanzschaltung einen Hilfsresonanzkreis und einen Meßkreis aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind.

Ebenfalls von zwei getrennten, parallelen Resonanzkreisen, die durch eine Gegeninduktivität gekoppelt sind, wird in einer anderen bekannten Anordnung Gebrauch gemacht, um den Gehalt einer Meßprobe an einem bestimmten Bestandteil nachzuweisen in Form eines Kapazitäts-Unterschiedsbetrages.