DE2021811B2

DE2021811B2 - Einrichtung zur messung der dielektrizitaetskonstanten von stoffen

Info

Publication number: DE2021811B2
Application number: DE19702021811
Authority: DE
Inventors: Karlis Alfredovitsch; Klotinsch Erik Ernestovitsch; Matis Imant Gustovitsch; Riga Bergmanis (Sowjetunion)
Original assignee: Institut Mechaniki Polimerov Akademii Nauk Latvijskoi Ssr, Riga (Sowjetunion)
Priority date: 1969-05-05
Filing date: 1970-05-04
Publication date: 1978-02-09
Also published as: DE2021811A1; SU422324A1; FR2047332A5; DK127347B; DE2021811C3; GB1275324A; CS154744B1

Description

= U./„-7o),

wobei fudie Meßzeit angibt.
II. Der Meßkondensator wird mit dem zu untersu-

JO chenden Stoff gefüllt, und der Impulszähler wird erneut ausgelöst, aber auf »Subtraktion« ohne Löschung der vorhergehenden Anzeige eingestellt. Die Frequenz des Meßgenerators wird bei diesem Meßvorgang wegen des Einflusses der Dielektrizitätskonstante des geprüf-

3j ten Stoffes kleinen Von der bisherigen Gleichung (1) wird also die folgende Gleichung subtrahiert:

wobei S die Empfindlichkeit des Meßgenerators in

bezug auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante und ε die Dielektrizitätskonstante des geprüften Stoffes bezeichnet.

Nach dem gesamten Meßzyklus, also nach den zwei

■Ti Meßvorgängen ergibt sich eine Gleichung

N= N₁- N₂ = r„ (/„ - J₀ - /„ + S _t■+ /₀)

= S r ■ L· .

wobei diese Gleichung der Dielektrizitätskonstanten proportional ist.

Ein Mangel der bekannten Einrichtung ist ungenügende Meßgenauigkeit, die dadurch bedingt ist, daß bei dieser Einrichtung der Hauptfehler des Verfahrens zur Messung der Dielektrizitätskonstante mit Hilfe von Anlegeelektrod, n nicht beseitigt ist, der durch undichtes Anlegen der Meßkondensatorelektroden an die Oberfläche des Prüflings hervorgerufen wird. Dabei erzeu-

bo gen die aus Anlegeelektroden gebildeten Meßkondensatoren in Prüflingen ein überaus ungleichmäßiges Feld. Die maximale elektrische Feldstärke und somit die maximale Empfindlichkeit dieser Kondensatoren ergibt sich unmittelbar an der Elektrodenoberfläche. Deswe-

b^r) gen fuhren auch die kleinsten Luftspalte zwischen den Elektroden und der Oberfläche des Stoffmusters oder Unebenheiten dieser Oberfläche zu großen Meßfehlern. In der bekannten Einrichtung mit dauernd an die

Meßschaltung angeschlossenen Elektroden werden diese Fehler nicht berücksichtigt.

Bei derart grober Messung der Dielektrizitätskonstante wird die hohe Genauigkeit des Impulszählers nicht ausgenutzt.

Ein anderer Mangel der bekannten Einrichtung besteht darin, daß zur Durchführung des Meßzyklus einer von den zwei Meßvorgängen bei einem mit dem zu prüfenden Stoff ungefüllten Meßkondensator erfolgen muß, wobei wiederholte Messungen oder Untersuchungen von Änderungen der Dielektrizitätskonstante erschwert werden.

Die in der bekannten Einrichtung zur Anwendung kommenden Vorv/ärts-Rückwärts-Zähler führen außerdem zu gewissen Einschränkungen bei der Entwicklung derartiger Geräte und machen sie komplizierter.

Aus dem DT Gbm 19 38 169 ist ein Elektrodensystem bekannt, das unter einem Förderband angeordnet ist und bei dem die Elektroden mit einer Andrückvorrichtung in senkrechter Richtung in ihrer Lage verändert werden können. Dadurch soll ein eventuell zwischen den Elektroden und dem Förderband auftretender Luftspalt beseitigt werden. Die Kondensatorelektroden sind ständig an den Schwingkreis eines Oszillators angeschlossen. Durch das mechanische Andrücken der Elektroden an das Förderband läßt sich die beeinflussung des Meßergebnisses auf Grund von Unebenheiten der zu untersuchenden Fläche nicht vermeiden, und darüber hinaus wird die Arbeitsfläche des Kondensators auf Grund der Reibung des Förderbandes an der Kondensatorfläche abgenutzt, so daß eine eir.mal durchgeführte Justierung der Vorrichtung verlorengeh;.

Aus der DL-PS 36 314 ist ein Elektrizitätskonstanten-Meßgerät mit einem Oszillator bekannt, dessen Frequenz von dem zu untersuchenden Medium beeinflußt wird. Dieser Oszillator speist zusammen mit einem weiteren Oszillator mit fester Frequenz eine Mischstufe, wobei dann aus dem Vergleichsergebnis dieser Stufe der Meßwert abgeleitet wird. Dieses Meßgerät dient dem Zweck, die Meßwerte unabhängig von der Kabellänge zwischen der Meßsonde und dem eigentlichen Meßgerät und unabhängig von unterschiedlichen Dämpfungswiderständen des Mediums zu halten. Die Meßgenauigkeit und die Feststellung geringer Änderungen der Elektrizitätskonstanten wird dadurch nicht verbessert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Dielektrizitätskonstanten-Meßgerät zu schaffen, welches eine hohe Meßgenauigkeit auch bei einer geringen Änderung der Elektrizitätskonstanten und eine einfache Meßschaltung aufweist, eine Vereinfachung der Messung selbst ermöglicht und mit schaltungstechnischen Mitteln vermeidet, daß ein auf Grund von einer Unebenheit der zu prüfenden Fläche auftretender Luftspalt die Messung beeinflußt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Meßgerät ermöglicht eine hohe Meßgenauigkeit, eine Messung der Elektrizitätskonstanten auch bei geringer Änderung derselben und läßt eine sehr einfache Meßschaltung zu, bei der beliebige Impulszähler verwendet werden können. Darüber hinaus läßt sich mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung der Einfluß eines Luftspaltes, der durch Unebenheiten der zu prüfenden Fläche verursacht wird, auf die Meßergebnisse mit den schaltungstechnischen Maßnahmen vermeiden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert, die ein Blockschaltbild der Meßeinrichtung zeigt.

Die Hinrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante enthält einen Meßkondensator, der durch Hauptelektroden I und 2 sowie eine Zusatzelektrode 3 gebildet wird, die an den Prüfung 4 angelegt sind. Die Hauptelektroden 1 und 2 sind dauernd an den Meßgenerator 5 angeschlossen, und die Zusatzelektrode 3 wird über den Umschalter 6 bei seiner Stellung 7 an die Hauptelektrode 1 und bei der Umschalterstellung 8 an die Hauptelektrode 2 geschaltet. Die Ausgänge des Meßgenerators 5 und des Referenzoszillators 9 sind mit dem Eingang der Mischstufe 10 verbunden, während der Ausgang der letzteren an den Eingang des Frequenzmessers 11 geschahst ist. Die Schaltung 12 zur Anzeigelöschung ist an den Frequenzmesser 11 über einen Schalter 13 angeschlossen, der synchron mit dem Umschalter 6 geschaltet wird. Bei der Stellung 14 des Schalters 13 liegt die Löschschaltung 12 am Frequenzmesser 11, und in der Stellung 15 wird sie abgeschaltet.

Die Arbeitsweise der Einrichtung erklärt die nachstehende Beschreibung.

Der ganze Meßzyklus zerfällt ebenfalls in zwei Meßvorgänge.

1. Die Meßelektroden 1, 2, 3 werden an das Stoffmuster 4 angelegt. Beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7 wird die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode 1 angeschlossen. Im Prüfling entsteht ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien sich zwischen den Elektroden 2, 1 und 2, 3 schließen, wie es in F i g. 1 mit ausgezogener Linie vereinfacht dargestellt ist. Die Kapazität, die dabei in den Schwingkreis des Generators 5 eingeschaltet wird, kann in erster Näherung wie folgt ausgedrückt werden:

Q = C₀₁ +

UC₁

d/i Ia = O

dabei bedeutet Gi den Kapazitätswert des Meßkondensators ohne Prüfling und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7,

ε - die relative Dielektrizitätskonstante des Stoffes 4, h — den Luftspalt zwischen den Elektroden 1, 2, 3 und dem zu prüfenden Stoff 4.

Das zweite und dritte Glied der Gleichung (5) entsprechen der Änderung der Kapazität C\ und der Abhängigkeit von den Änderungen der Dielektrizitätskonstanten ε und der Breite des Spaltes h, d. h., sie drücken die Empfindlichkeit des Meßkondensators in bezug auf Änderungen der Dielektrizitätskonstante und des Luftspaltes h aus.

Die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 wird im erwähnten Fall durch die entsprechende Gleichung ausgedrückt:

Ji = Jm +

d/,

dft

■h,

wobei /οι die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators b5 5 beim Fehlen des zu prüfenden Stoffes und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7 bedeutet.

Die Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators 9 muß im ganzen Bereich der Messung von ε entweder

höher oder niedriger als die Frequenz /Ί sein.

Angenommen, die Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators 9 mit dem Wert k ist niedriger als die Frequenz /1 im ganzen Meßbereich von e, und die am Ausgang der Mischstufe 10 entstehende Differenz der Schwingungsfrequenzen beider Generatoren wird mit dem Frequenzmesser 11 gemessen. Als Frequenzmesser kann in der erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung eine Reihenschaltung eines Schalters und eines Impulszählers dienen, wobei der Impulszähler einen beliebigen

Aufbau und beliebige Zählrichtung haben kann und in gegebenen Fall z. B. im Additionsbetrieb arbeitet. D< der Schalter 13 synchron mit dem Umschalter 6 betätig wird, befindet sich der Schalter 13 in diesem Fall in dei Stellung 14, bei der die Schaltung 12 zur Anzeigelö schung an den Frequenzmesser 11 angeschlossen ist Dies bedeutet, daß vor der Auslösung des Frequenzmcs sets 11 die vorhergehende Anzeige gelöscht wird und der Frequenzmesser nach folgender Gleichung arbeitet:

d/,

dft

h -Λ

Damit ist der erste Meßvorgang des Meßzyklus beendet.

II. Der Umschalter 6 wird in die Stellung 8 gebracht, bei der die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode 2 geschaltet wird. Im Prüfling entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien sich zwischen den Elektroden 1, 2 und 1, 3 schließen, wie es in Fig. 1 mit Strichlinie vereinfacht dargestellt ist. Die Kapazität, die in diesem Fall dem Schwingkreis des Generators zugeschaltet wird, kann in erster Näherung wie folgt ausgedrückt werden:

C-, = C_n,+

UC₂

-D +

d/i

•Λ.

(8)

beim zweiten Meßvorgang durch folgende entsprechen de Gleichung ausgedrückt:

25

jo

Hierbei bezeichnet Cn den Kapazitätswert des Meßkondensators bei lehlendem Prüfling 4 und bei der Einstellung des Umschalters 6 in die Stellung 8.

Die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 wird

20 df2

= ι

dft

■ft.

A = O

Hierbei bedeutet fm die Schwingungsfrequenz de.¹ Meßgenerators 5 bei fehlendem Prüfling, wenn dei Umschalter 6 in der Stellung 8 steht.

Die Frequenz fm ist dabei so gewählt, daß im ganzer Meßbereich von ε die Schwingungsfrequenz de: Meßgenerators f\ niedriger als die Frequenz f de: Referenzoszillators 9 ist. Der Schalter 13, der mit derr Umschalter 6 synchron betätigt wird, befindet sich be diesem Meßvorgang in der Stellung 15, und die Schaltung 12 zur Anzeigelöschung ist folglich von Frequenzmesser 11 abgeschaltet. Bei der Auslösung de: Zählers ohne Löschung der vorhergehenden Anzeige wird ihm folgende Gleichung hinzugefügt:

= M/0-/2) =

A = O

ft .

Damit endet der zweite Vorgang des Meßzyklus.

Nach der Durchführung der beiden Meßvorgänge ist die resultierende Gleichung der Summe der Gleichungej N₁ + N₂ gleich:

N=N_{1 +} N₂=I₁₁

d/,| ₍ d f I, = ι

AL·

dft

■fc-/o 0

A-O

ft .

Um den Einfluß eines Luftspaltes zwischen den keit des Meßgenerators 5 zum Luftspalt h in beider Meßkondensatorelektroden und der Oberfläche des zu Stellungen des Umschalters 6 gleich sein, d. h.: prüfenden Stoffes auszuschließen, muß die Empfindlich-

d/, _ d/₂

dft dft '

Mit Berücksichtigung der Bedingung (12) erhält man die resultierende Gleichung:

N = L₁

(13)

Hs ist darauf hinzuweisen, daß die resultierende Gleichung nach (13) keine Komponente des Luftspaltcs h enthält. Da diese Gleichung als Differenz zwischen zwei gemessenen Kapazitätswerten des Meßkondensators entsteht, wird aus dem Meßergebnis außerdem der Hinfluß der Störkapa/.itiitcn und der Frequenzdrift beim Meßgenerator 5 außerhalb der Meßzeit ausgeschlossen. Dnvon kann man sich beim Hinsetzen der Driftkomponcnte aus den Gleichungen (6) und (9) leicht überzeuget in denen sie mit gleichen Vorzeichen steht. Infolge de Subtraktion der Signale gemäß Gleichung (11) geht dl· Driftkomponente mit entgegengesetztem Vorzcichci ein und wird aus dem Meßergebnis ausgeschlossen.

Weiterhin ist das Mcßcrgcbnis unmittelbar al Digitalgröße, die den Wert der Dielcktri/.itätskonstant ausdrückt, dargestellt. Der erste Summand in de

eckigen Klammern der Gleichung (13) bestimmt die Anzeige des Frequenzmessers, wenn die Messung ohne Prüfling erfolgt, d. h., wenn die Dielektrizitätskonstante der Luft f = 1 gemessen wird. Der Multiplikand des zweiten Summanden in den eckigen Klammern der Gleichung (13):

stellt den Empfindlichkeitsunterschied beim Meßgenerator 5 in bezug auf die Dielektrizitätskonstante in beiden Stellungen des Umschalters 6 dar. Um eine unmittelbare Ziffernanzeige zu erhalten, muß man die zwei folgenden Bedingungen erfüllen:

als die Frequenz des Referenzoszillators 9 ist. Mehl noch, die Umschaltung der Frequenzwerle kann be Einhaltung der erwähnten Bedingungen sowohl bein Meßgenerator 5 als auch im Refcrenzoszillator S erfolgen.

Es ist besonders darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäß ausgeführte Einrichtung in folgender Fällen angewandt werden kann. Werden in dei Gleichung (11) die Empfindlichkeitswerte des Meßgene rators 5 gegenüber der Dielektrizitätskonstante ir beiden Stellungen des Umschalters 6 gleichgesetzt,

15

d/₂

= 1

'„(/ο,-Zo₂) = 10"; 'VdF

π + 1 ist die Stellzahl der Zähler.
Bei Berücksichtigung der Bedingung (14) hat der Ausdruck für die endgültige Gleichung die Form:

N= 10"+ 10"(f-l) = 10"

Der Ausdruck (15) zeugt davon, daß das Meßergebnis unmittelbar in Ziffernform, die den Wert der Dielektrizitätskonstante ausdrückt, unabhängig vom Luftspalt zwischen den Kondensatorelektroden und der Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes dargestellt ist.

Es ist nun auf einige Ausführungs- und Anwendungsvarianten der gemäß der Erfindung aufgebauten Einrichtung hinzuweisen. Im beschriebenen Beispiel wurde angenommen, daß beim ersten Meßvorgang die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 im ganzen Meßbereich höher als die Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators 9 ist und beim zweiten Meßvorgang diese Werte sich umgekehrt verhalten. Es ist aber auch der umgekehrte Fall möglich, wenn die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 beim ersten Meßvorgang niedriger und während des zweiten Meßvorgangs höher so kann die Einrichtung zur Messung des Luftspaltes zwischen den Elektroden und dem Meßobjekt unter Ausschluß des Einflusses von Änderungen seiner

(14) 2(i Dielektrizitätskonstante benutzt werden.

Bei einem entsprechenden Aufbau des Meßkondensators und folglich bei geeigneter Wahl von Ausgangsgleichungen (5) und (8) können weiterhin an Stelle dei Ausdrücke für die Kondensatorempfindlichkeit zurr Luftspalt in beiden Stellungen des Umschalters 6 die Ausdrücke für die Meßkondensatorempfindlichkeit zui

(15) Dicke einer zu prüfenden Schicht eingesetzt werden. Ir diesem Fall kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante

jo von Stoffen unter Ausschluß des Einflusses vor Änderungen ihrer Dicke oder umgekehrt zur Messung der Dicke von Stoffen unter Ausschluß von Änderunger ihrer Dielektrizitätskonstante angewandt werden. Die angeführten Beispiele mit Verwendung von festerr Dielektrikum schließen endlich die Anwendung dei Erfindung für andere Arten der Dielektrika, z. B. füi flüssige, pulverförmige u. a. Dielektrika nicht aus.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit einer zerstörungsfreien Prüfung vor fertigen Erzeugnissen mit hoher Genauigkeit, ohne dat dazu eine besondere Vorbereitung, z. B. Schleifen der zi prüfenden Oberfläche, notwendig wird, wobei man da; Meßergebnis als Digitalanzeige unmittelbar in der Meßeinheiten der Dielektrizitätskonstante erhält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch: Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen, mit einem Meßkondensator, der wenigstens zwei ständig an den Eingang eines Meßgenerators und damit an den Schwingkreis eines Oszillators angeschlossenen Hauptelektroden und eine Zusatzelektrode aufweist, die mit einem Umschalter beim Meßprozeß abwechselnd mit einer der Hauptelektroden verbunden wird, wobei der Ausgang des Meßgenerators mit dem Eingang einer Mischstufe verbunden ist, deren zweiter Eingang an einen Referenzgenerator angeschlossen ist, und der Ausgang der Mischstufe mit dem Eingang eines als Reihenschaltung einer Zeitwählschaltung und eines Inipulszählers ausgeführten Frequenzmessers, der eine Schaltung zur Anzeigelöschung enthält, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (12) zur Anzeigelöschung mit dem Impulszähler (ti) über einen mit dem Umschalter (6) der Meßkondensatorelektroden (1, 2, 3) synchron steuerbaren Schalter (13) verbunden ist, daß die Auswahl dieser Elektroden (1,2,3) so getroffen wird, daß die Frequenz des Meßgenerators (5) in der einen Stellung des Elektrodenumschalters (6) über, und in der anderen Stellung unter der Frequenz des Referenzgenerators (9) liegt. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Stoffen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs. Eine derartige Einrichtung wurde bereits durch das Patent 19 34 084 vorgeschlagen. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von einseitig zugänglichen Stoffen bekannt (siehe die Zeitschrift der Akademie der Wissenschaften der lettischen SSR »Mechanika PoIymerow«, 1966, Nr.4, S.617 —623, Verlag »Snanije«, Riga). Diese Einrichtungen besitzen einen Meßkondensator, der aus mehreren an die Oberfläche des zu prüfenden Stoffes angelegten Elektroden gebildet wird, die an den Schwingkreis eines Meßgenerators angeschlossen sind. Die Dielektrizitätskonstante des zur Untersuchung herangezogenen Stoffes bestimmt die Kapazität des Meßkondensators, die ihrerseits die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators beeinflußt. Zur genauen Messung dieser Frequenz verwendet man eine Meßschaltung, die nachstehend beschrieben wird. Die Meßeinrichtung enthält einen Referenzoszillator mit einer festen Frequenz, die kleiner als die Frequenz des Meßgenerators im ganzen Meßbereich ist. Die Ausgänge des Meßgenerators und des Referenzoszillators sind an den Eingang einer Mischstufe geschaltet, während der Ausgang der letzteren mit einem Frequenzmesser verbunden ist. Mit Erhöhung der Dielektrizitätskonstante von geprüften Stoffen steigt also die Kapazität des Meßkondensators, wobei die Frequenz der Meßgeneratorspannung sinkt. Da die Schwingungsfrequenz des Referenzoszillators kleiner als die Frequenz des Meßgenerators ist, wird auch die am Ausgang der Mischstufe gebildete Frecjuenzdifferenz mit der Erhöhung der Dielektrizitätskonstante der untersuchten Stoffe kleiner, d. h. ist die Frequenzdifferenz der Dielektrizitätskonstante umgekehrt proportional. Diese Frequenzdifferenz wird mit Hilfe eines Frequenzmessers gemessen. Der Frequenzmesser stellt eine Reihenschaltung eines Schalters und eines Impulszählers dar. In der bekannten Einrichtung ist ein Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler aus folgendem Grund angewandt worden. Gemäß dem in der bekannten Einrichtung benutzten Meßverfahren wird die Dielektrizitätskonstante aus dem Kapazitätsunterschied beim Meßkondensator bestimmt, der mit dem zu to prüfenden Stoff gefüllt oder nicht gefüllt wird. Wenn die Störkapazitäten des Meßkondensators bei beiden Meßvorgängen unverändert bleiben, ist der Einfluß der Störkapazitäten bei der Ermittlung der Kapazitätsdifferenz ausgeschlossen. Die Aufgabe der Subtraktion von Kapazitätswerten löst der Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler. Der ganze Meßzyklus setzt sich aus zwei Vorgängen zusammen:

1. Unmittelbar vor der Messung, wenn der zu prüfende Stoff noch nicht in den Meßkondensator eingeführt ist, wird der Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler für den Additionsbetrieb angesteuert, dergestalt, daß die Differenz zwischen der Meßgeneratorfrequenz f„ und der Referenzgeneratorfrequenz /ö gebildet wird, nach folgender Gleichung: