DE2002168C3

DE2002168C3 - Dielektrisches Feuchte-Messgerät

Info

Publication number: DE2002168C3
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: 1975-05-15
Also published as: US3622875A; SU518163A3; JPS4835040B1; DE2002168A1; DE2002168B2; GB1299203A

Description

',R₁

hierin sind r_p und

35

der innere Widerstand bzw

die Kreisfrequenz des Hochfrequenzos/illators. dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion (/.„) und einem Kondensator (C₀) gebildet wird. L₁₁ ist die Selbstinduktion der Ersnvickiung eines CT■_·!"-tragers und M₀ die Gegeninduktivität desselben. R, stellt den Reihen widerstand der Spulen im Hilfsresonanzkreis dar. /, ist die Summe aus der Selbstinduktion/,, und aus der Selbstinduktion /_v der Primärwicklung des Kupplungstransformators. C,, ist die Kapazität des zweiten veränderlichen Kondensators im Hilfsresonanzkreis. und /·, ist der resultierende Reihen widerstand des Meßkreises einschließlich dem Reihenwiderstand, der dem Hochfrequenzverlust der Meßprobe entspricht. die mit dem Meßkreis verbunden ist.

55

Die Erfindung betrifft ein dielektrisches Meßgerät iur Messung des Wassergehaltes einer Meßprobe ■lit einem Hochfrequenzoszillator, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion und einem Konden- ho ■ator gebildet wird, mit einem Meß-Rcsonan/stronikreis, 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 Hilfsresonan/kreis 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.

Meßgeräte dieser Art sind bekannt. So beschreibt W. Lück in »Feuchtigkeit«, Verlag R. Oldenbourg, München/Wien, !964, auf den S. 209, 221 und 222 Resonanz-Kreisschaltungen, iii denen der dielektrische Verlustfaktor (DV) keinen oder nur einen geringen Einfluß auf das Meßergebnis ausübt und bei Anwendung von Brückenschaliungen die getrennte Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten (DK) und des DV ermöglichen.

Nachteilig ist hierbei der erforderliche Zeit- und Arbeitsaufwand bei Einstellung der Kapazität C, und Ermittlung von C₁₁₁ sowie die geringe Genauigkeit der Meßmethode.

Grundsätzlich ist also bekannt, die Anzeige des Wassergehaltes nicht durch die Widerstandskomponente einer Meßprobe zu beeinflussen, sondern diese nur der tatsächlichen Änderung der Dielektrizitätskonstanten infolge einer Änderung des Wassergehaltes der Meßprobe entsprechen zu lassen, wobei eine ausreichende Bewegung des Zeigers bei auch nur kleiner Änderung der Kapazität erwünscht ist.

Ir. einer anderen bekanntgewordenen Anordnung, deutsche Auslegeschrift 1 271 823, wird eine Schaltung zur direkten Ablesung des Wassergehaltes einer Meßprobe beschrieben. Dies wird durch die Messung einer sehr kleinen Blindwiderstandskomponente einer Meßprobe erreicht, die unbeeinflußt von Schwankungen in den Umgebungsbedingungen oder Änderungen in der Oszillatorfrequenz des Hochfrequenzgenerators erfolgt. Die hierfür verwendete Schaltung besteht aus einem Hochfrequenzoszillator 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 Mcßrcsonanzkreis aus Hauptspule 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 eingehl. 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-Untcrschicdsbetrages.

Es hui sich gezeigt, daß die bekannten Geräte den neueren Bedürfnissen insofern nicht mehr genauen, wenn der Parallelwiderstand von Meßproben bis zu 3kii hinabreicht und der Kapazitätsbereich sich von 10"² bis 10³pF bei 2 MHz erstreckt. Auch ist die Nullpunktkonslanz 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 tieschaltet 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 Kondensators(C_c.) der folgenden Bedingung genügen:

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

Fig. la zeigt einen hochfrequenzosziilator-Stromkreis OSC stabiler Frequenz mil einer Selbstinduktion L₀ und einem Kondensator C₃, die einen Oszillatorschwingkreis bilden. Mit r ist der innere Widerstand des HochfrequenzoszJlIators und mit R_(l ein äquivalenter Parallelwiderstand bezeichnet, der den Verlust in dem Oszillatorschwingkreis darstellt; vorausgesetzt wird R₀ s> r_p. Mit /₀. I_x, L₁ und C₁ 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.

Fig Ib zeigt eine Abwandlung eines Teils der Meßschaltung aus Fig. la. Hierbei ist C_p gegeben durch

hierin sind r_p und m der innere Widerstand bzw. die Kreisfrequenz des Hochfrequenzoszillators, dessen Schwingkreis aus einer Selbstinduktion (L₀I und einem Kondensator (C„) gebildet wird. L₁₁ ist die Selhstinduktion der Erstwickiung eines übertrager* und M₁, die Gegeninduktivität desselben. Λ, stellt den Reihenwiderstand der Spulen im Hilfsresonanzkreis dar. /, ist die Summe aus der Selbstinduktion /,, und aus der Selbstinduktion I_x der Primärwicklung des Kupplungstransformators. C₁. ist die Kapaziiät des /weiten veränderlichen Kondensators im Hilfsresonanzkreis. und r, ist der resultierende Reihenwiderstand des Meßkreises einschließlich dem Reihenuiderstand. 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 3ku hinabreicht und der Kapazitätsmeßbereich sich von 10~² bis 10'pF bei 2 MHz erstrecken kann und daß sich eine Nullpunktkonstanz von weniger als 0.5 ί.Α über mehrere Stunden Betrieb erreichen läßt. Der industrielle Anwendungsbereich is! dadurch wesentlich erweitert.

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

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

F i g. 1 b 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 Phasendiskri-

c-

/-,,,²L₁C₁

worin ο, die Kreisfrequenz des Oszillators OSC ist. Wenn die Schaltung durch Einstellung der Werte von C₁. nämlich von C_n und C₁, abgestimmt wird, ist ein Hochfrequenzstrom I_x, der durch die in F i g. I b gegebene Meßschaltung fließt, gegeben durch

1, -

wobei c eine Spannung bezeichnet, die dem Meßresonanzstromkreis zugeführt wird, R₁ den Widerstand der Spulen in dem Hilfsresonanzkreis, r, den Widerstand des Meßteils und /, die Summe aus /,, und /_Λ. Demgemäß gilt

,_x = ,,M₂I_x =

R₁

Durch die Induktivität L₀ des Oszillatorschwingkreises fließt ein Hochfrequenzstrom /,„ die im Meßresonanzstromkreis induzierte elektromotorische Kraft wird ausgedrückt durch c = "'Ai₀Ai und ebenso C_n = ι·) L₀ /,,. so daß

'I)

<·Ίι

vorausgesetzt, daß fi L„ » ;·'ist. wobei

60

W₁(I - -γ/,C,)²

und AZ₁₁ die Gegeninduklivität zwischen /„ und L₁, ist. Wenn ;·' in einen Widerstand R_p umgewandelt wird, der parallel /ti L₀ und C₀ geschaltet ist, wird R_n ausgedrückt durch

R_n

ι·Γ L₀

Α/Γ,

IR₁

Wenn der äquivalente Parallelwiderstand Z^₁, des durch .

Oszillatorschwingkreises sehr groß gegen R_{r Cf)} = i\x ■ - - . (5)

(R₀ > R_p) vorausgesetzt wird, wird e₀ ausgedrückt ' + ^rpl"p

Ersetzt man R₁, durch die Gleichung^) in der obigen Gleichung(5), so erhält man

,„ = cx-, i^iR. +''.'I r -²',C)²! ,.

" ^s' L^₁R₁ + r,(l - „²/,CI²| + Af²C,,

Daraus folgt

. _ _c„ _ /.„ IR₁ + r, (1 - „²/,C,)²| ■ c_s

,.,L₀ ' „[L² (R₁ + r,(l - ,-,²Z₁C..)²! + MIr₁,-]

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

^l'^x ~ L₀Yr₁

L₀Yr₁

Nimmt man nun an, daß die Werte von AZ₁₁ und der c_x überträgt. Zur Veranschaulichung der Phasen-

C₁, in geeigneter Weise eingestellt sind, um die fol- beziehung der Eingangsspannung des Phasendiskri-

gende Beziehung zu erfüllen minators sind e_p + e_x in den F i g. 3a und 3b als

, 21 _r. ■· _u 35 Vektoren im Vektordiagramm dargestellt. F i ti. 3a

Λί,ν,, » Lü ,K, +c,(l - '<-', Cr- Nt _{stHll die} Verhältnisse dar für den Fall, daß keine

Meßprobe an die Meßschaltung angeschlossen ist.

dann gut während in Fi g. 3b die Meßprobe angeschlossen ist.

Die aus der Summe der Vektoren e_n und c_x jeweils

2 40 resultierenden Spannungsvektoren sind mit c_rl b?w.

r_p 3> ", IR, + r,(l - .,²Z₁C,.)-; . t'_r, und <■;, bzw. e_r'2 bezeichnet.

™n ' Wenn der in F i t». 2 gezeigte Phasemliskriminator

eine Rechteckkennlinie besitzt und wenn ^->die Phasenwinkelabweichung von e'_x gegenüber c_x infolge von

Der Vergleich der obigen Gleichung mit der 45 lC_p darstellt (Fig. 3b). ist ein Ausgangsstrom I₁₁ Gleichung (4) Führt zu dem Ergebnis r_n » R_fl. Infolge des Phasendiskriminators gegeben durch
der obigen Beziehung läßt sich gleichzeitig die Gleichung (8) vereinfachen zu

Z, - 4Ke_xe_p ■ tang H. HO)

„A/,L„<\ ,, ?^p

⁽¹v — \i~ _r ■ ¹^) wobei K eine Konstante des Hilfsrcsonan/kreises isl

" ^r und tang (·> gegeben ist durch

Der Ausdruck (8)'zeiat. daß/, in keiner Beziehung 1C_C

zu e_x steht. "" 55 ^g " ,,(C +"C)-IR₁^V₁(T - ,,²ZC,.!;² '

Auch die Gleichung (6) kann vereinfacht werden zu

Aus der Gleichung (1) läßt sich IC₁, ausdrucken durch Ai₁L₀IR₁ +r,(l - ,,²Z₁C)²I-C,

^e> ⁼ ^r, · 60 _1C _ !£l.._._

<> (1 - ,,²L₁C₁)² '

Die Phasendifferenz zwischen e_p und c_x soll 90

sein. Die Spannung e_p wird an einen Mittelabgriff Daher wird die Phasenabweichung von c_x infolge

einer Sekundärwicklung eines Transformalors gelegt. einer kleinen Änderung IC₁ in C, zu

^{langH =} (Γ + C)^: ι«'+¹ '·" Wf; ' " ²LCJ ' ⁽ⁱ"

Ersetzt man C₁, in der obigen Gleichung (11) durch C₁, in der Gleichung (I), so erhält man

tang » = --■ ■ ■ _N'^C| · ' ,

Y + .- V. _r ) -!Λ, +Ml -ο,"I₁CX-, " ""'" ^/j'^Cl)

I - ^w '-ι ⁽ ι /

«<C] j 1 + yf (1 - (.,²L₁C₁)]² !K₁ f r, (I - er/, C,)²!

( C ι I

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

der Kapazitätsänderung IC, direkt proportional is

, / C, \ '5 ^upd 'ⁿ keiner Beziehung zu dem Ausdruck steht, dci

1"'I_x ( C₁, + ι _ ,,,2^ f "J " ' den Verlust in dem Abstimmkreis darstellt. Wenn du

¹ ' Meßschallung gemäß Fig. la durch Schließen eine;

Schalters 5 mit der Meßprobe C_x, R_x verbunden wird

Aus der obigen Gleichung kann die folgende fuhrt der Zeiger des Phasendiskriminators eine Be Gleichung abgeleitet werden 20 wegung entsprechend /,, = uC\ aus, die unabhängig

von dem Wert von R_x ist. Das beschriebene Meß·

C 1 gerät kann als Kapa/.itätsmesser mit direkter Ablesunt

ί + T^'' ~ '"²L₁C₁)= ¹I c verwendet werden, der durch die Widerstandskompo-

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

25 durch die Gleichung(13) angegeben wird, wenn dit

Daher kann die Gleichung für tang (-) umgewandelt Schaltungsparameter M₀ und C_e so eingestellt werden werden in daß sie die in der Gleichung (9) gezeigte Bedingung

erfüllen. Im Falle einer praktischen Messung wird

(I -('/²ZjC₁.)²- IC_{1 ί} der Reihenwiderstand r,, der dem Widerstand R_x der

tang (-1 = ,,,C²IR +/· (Ί - "²/ C )²! ¹⁰ Meßprobe äquivalent ist, welch letzterer parallel

zu dem veränderbaren Kondensator C₁ geschaltet ist dargestellt durch

Setzt man die Gleichungen (6)', (H)' und (12) in die

Gleichung (10) ein, die den Ausgangsstrom I₁₁ darstellt. ,. _

erhält man 35 ^Λ "^r^\R_x

M₁ M-, L,² c² (1 — "i²/, C₁.)² · IC₁ Der Gesamtwiderstand r, des Mcßteils ist daher ge-

Ig = ^K- - -^%-£.2 jyjjp ■" ' (13) geben als r, = r, + r_x. so daß es notwendig ist. in

¹ " ^p der t^estimmungsglcichunglQ) r, durch »·, zu ersetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

S09 620 T 20

Claims

Patentanspruch:

Dielektrisches Meßgerät zum Messen des Wassergehaltes einer Meßprobe mit einem Hoch- s frequenzoszillator, 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 Erst wicklung 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 enthäJi. dessen Primärwicklung in dem Hi!/sresonanzkreis liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkreis und der Hilfsresonanzkreis des Meß-Resonanzstromkreises in Reihe geschaltet sind und einen Reihenstromkreis bilden, und die Komponenten des Hochfrequenzoszillator-Stromkreises und des Meß-Resonanzstromkreises so bemessen sind, daß sie durch die Einstellung des zweiten veränderlichen Kondensators (C₁,) der folgenden Bedingung genügen: