DE2037157A1

DE2037157A1 - Einrichtung zur Messung der Dielektn zitatskonstante von Stoffen

Info

Publication number: DE2037157A1
Application number: DE19702037157
Authority: DE
Inventors: Karhs Alfredowitsch Klotinsch Erik Ernestowitsch Matis Imant Gustowitsch Riga Bergmanis (Sowjetunion) M
Original assignee: INST MEKH POLIMEROW AKADEMII N
Current assignee: INST MEKH POLIMEROW AKADEMII N
Priority date: 1970-02-17
Filing date: 1970-07-27
Publication date: 1971-09-02
Also published as: DK137407C; GB1277334A; DE2037157B2; CS155451B1; DK137407B; DE2037157C3; SU300107A1; FR2080308A5

Description

Patentanwälte
Dlpl.-Ing. R.BEETZssi,
Dlpl-Inn. K. LAMP;?2CHT

Dr.-Ing. R. BEETZJr.
8 MUnchen 22, Steinsdorfstr. 10

530-15.96IP 27c7.l970

Institut Mekhaniki Polimerov Akademii Nauk Latviiskoi SSR,

RIGA (UdSSR)

Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen

Die Erfindung betrifft die elektrische Meßtechnik, insbesondere eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante verschiedener Stoffe.

Es sind Einrichtungen zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen bekannt, in denen ein Meßkondensator verwendet wird, der mit einem zu prüfenden Stoff in Verbindung steht und an einen Meßgenerator angeschlossen ist. Der Ausgang des Meßgenerators und der Ausgang eines Referenzoszillators sind mit zwei Eingängen einer Mischstufe verbunden, deren Ausgang über einen Schalter mit dem Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers gekoppelt ist.

530-(P 31 836/1)-Hd-r (7)

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Je nach den dielektrischen Eigenschaften des zur Untersuchung bestimmten Stoffes ändert sich die Kapazität des Meßkondensators und beeinflußt die Schwingungen frequenz des Meßgenerators, die nach der Umformung in der Mischstufe mit Hilfe eines Frequenzmessers gemessen wird, der eine Reihenschaltung eines Schalters und eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers darstellt.

Bin Mangel der bekannten Einrichtungen zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen besteht aber darin, daß die Kapazität des Meßkondensators und somit auch das Meßergebnis nicht nur von den dielektrischen Eigenschaften des zu untersuchenden Stoffes, sondern auch von den Eigenschaften der Kontaktverbindung der Kondensatorelektroden und der Oberfläche des Prüflings abhängen. Bei einem Luftspalt zwischen diesen beiden Oberflächen oder bei Unebenheiten der Oberfläche des Prüflings, die ein dichtes Anlegen der Meßkondensatorelektroden an diese Oberfläche verhindern, wird die Dielektrizitätskonstante mit großen Fehlern gemessen. Deswegen wird dabei die den Vorwärts-Rückwärts-Zähler auszeichnende hohe Frequenzmeßgenauigkeit nicht ausgenutzt. Das Vorhandensein des Referenzoszillators und der Mischstufe führt außerdem zu einem komplizierten Aufbau der Einrichtung und erschwert ihre Anwendung in Fällen, wo die Betriebsfrequenzen geändert werden müssen. Bei Benutzung von mehreren Betriebsfrequenzen muß außer der Frequenz des Meßgenerators auch die Frequenz des Referenzoszillators geändert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile eine Einrichtung zur Messung der

mtifftrhform Dielektrizitätskonstante von StoffenVzu entwickeln, die es ermöglicht, bei der Messung verschiedene Betriebsfre-

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quenzen zu verwenden und den Einfluß eines Luftspaltes zwischen den Heßkondensatorelektroden und der Prüflingsoberfläche auszuschließen.

Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen aufgrund von wenigstens zwei unterschiedlichen Kapazitätswerten eines Meßkondensators, der in Verbindung mit dem zu untersuchenden Stoff steht und an einen Meßgenerator angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines als Reihenschaltung eines Schalters und eines eine Schaltung zur Anzeigelöschung aufweisenden Impulszählers ausgeführten Frequenzmessers verbunden ist, dadurch gelöst, daß der Meßkondensator wenigstens zwei an den Eingang des Meßgenerators dauernd angeschlossene Hauptelektroden sowie eine Zusatzelektrode enthält, die bei der Messung mit Hilfe eines Umschalters abwechselnd an die eine oder andere der Hauptelektroden anschließbar ist, daß die Schaltung zur Anzeigelöschung an einen Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler über einen Schalter angeschlossen ist, der synchron mit dem Umschalter der Hauptelektroden gesteuert wird, und daß die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers mit der Stellung des Umschalters geändert wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert, das in der einzigen Figur der Zeichnung als Blockschaltbild gezeigt ist.

Die Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante enthält einen Meßkondensator, der durch Hauptelektroden 1 und 2 sowie eine Zusatzelektrode 3 gebildet wird, die mit dem zu prüfenden Stoff oder Prüfling iin Verbin-

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dung stehen. Die Häuptelektroden 1 und 2 sind dauernd an einen Meßgenerator 5 angeschlossen, und die Zusatzelektrode 3 wird über einen Umschalter 6 in dessen Stellung 7 an die Hauptelektrode 1 und bei der Umschalterstellung 8 an die Hauptelektrode 2 geschaltete Der Ausgang des Meßgenerators 5 ist über einen Schalter 9 an den Eingang eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 10 angeschlossen· Der Umschalter 6 wird synchron mit einem Schalter 11 umgestellt, der zur Umschaltung der Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 10 dient. In einer Stellung 12 des Zählrichtungsschalters 11 ist der Vorwärts-RückwärtsrZähler 10 auf Addition und in einer anderen Stellung 13 auf Subtraktion eingestellt. Die Umschalter 6 und 11 werden synchron mit einem Schalter 15 betätigt, bei dessen Stellung 16 eine Schaltung 18 zur Anzeigenlöschung an den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 10 angeschlossen und in einer Stellung von ihm getrennt ist.

Die nachstehende Beschreibung erklärt die Arbeitsweise der Einrichtung:

Der ganze Meßzyklus zerfällt in zwei Meßvorgänge.

1. Die Meßelektroden 1, 2, 3 werden an den Prüfling k angelegt. Beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7 wird die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode 1 angeschlossen. Im Prüfling 4 entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien in Fig. 1 in Vollinie dargestellt sind« Die Kapazität, die in diesem Fall an den Meßgenerator 5 geschaltet wird, kann in erster Näherung wie folgt ausgedrückt werdent -

(6-1)

4Mfy * 109836/0822

Hierbei bedeutet C den Kapazitätswert des an den Meßgenerator 5 angeschalteten Meßkondensators ohne Prüfling und in der Stellung 7 des Umschalters 6; £ die relative Dielektrizitätskonstante des Prüflings k und h den Luftspalt zwischen den Elektroden und dem Prüfling h.

Bei einer Kapazität nach Gleichung (i) kann die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 in ähnlicher Weise bestimmt werdenι

f = f
¹I ¹

OI

6= 1

. h h = 0

(2)

wobei f_Q1 die Schwingungsfrequenz des Generators 5 beim Fehlen des Prüflings h und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7 bezeichnet.

Die Frequenz f wird mit dem Vorwärts-Rückwärts-Zäh-1er 10 gemessen, der auf Additionsbetrieb eingestellt ist, da der Schalter 11 in der Stellung 12 steht. Im Vorwärts-Rückwärts-Zähler ergibt sich dann ein Zählerstand, der der Frequenz f. und der Meßzeit t proportional ist!

01

ε= ι

. h h = 0

(3)

Der Schalter 15 befindet sich beim ersten Meßvorgang in der Stellung 16, wobei die Schaltung 18 zur Anzeigelöschung an den Vorwärts-Rückwärts-Zähler 10 angeschlossen ist. Bevor der Yorwärte-Rückwärts-Zähler 10 ausgelöst wird und den Zählerstand N₁ erhält, wird also die vorhergehende Anzeig· gelöscht.

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OfflflWAL. INSPECTED

2. Der Umschalter 6 wird in die Stellung,8 gestellt, bei der die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode 2 angeschlossen ist. Im Prüfling k entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien in Fig. 1 vereinfacht in Strichlinie angegeben sind. Die Kapazität, die in diesem Fall dem Meßgenerator 5 zugeschaltet wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

= ^C

(6 -1) + ^ÖC 6=1 du

. h h = O

Hierbei ist C_n- der Kapazitätswert des Meßkondensators, der an den Meßgenerator ohne Prüfling h in der Stellung 8 des Umschalters 6 angeschlossen ist.

Bei einem Kapazitätswert nach Gleichung (%) kann die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators wie folgt ausgedrückt werdent

f -

. h h. = O

Hierbei bedeutet f_o? die Schwingungsfrequenss des Meßgenerators 5 bei fehlendem Prüfling h und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 8·

Beim zweiten Meßvorgang arbeitet der Vorwärta-Bfickwärts-Zähler 10 im Subtraktionsbetrieb, da der Schalter in der Stellung 13 steht. Die Schaltung 18 smar Anzeigelöschung ist vom Vorwärta-Rückwärte-Zähler 10 getrennt, da der Schalter 15 sich in der Stellung 1? befindet. Bei der Auslösung des Vorwärtβ-Rückwärts-ZSM.@rs 10 ohne Löschung des vorhergehenden Zählerstandes £■?., wird iron ihm

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also folgender Zählerstand abgezogen!

V=V

dh

. h h » O

(6)

Damit sind beide Meßvorgänge beendet, und am Vorwärts-Rückwärtszähler 10 bleibt der endgültige Zählerstand, der die Differenz der Zählerstände N₁ und N„ dar

stellt»

-V-Λ Γ

01

de

ι\ Of.

-1 ) + 1

6=1

. h h = 0

- f

df.

02

(ε -D ε= ι

h = O

(7)

Um den Einfluß des Luftspaltes h auf das Meßergebnis auszuschließen, muß »an die Empfindlichkeit des Meßkondensators gegenüber dem Luftspalt k in beiden Stellungen des Umschalters 6 gleich machen:

dh I h = O

h = 0

0>

Bei Erfüllung dieser Bedingung (8) hat der endgültige Zählerstand in Anlehnung an die Gleichung (7) die Form*

N s t

f - f ₊/^dfi

¹Oi O2 +#■ i-

I βε

df.

(ε-1)

ε= τ

Aus dem Ausdruck (9) ist ersichtlich, daß das Meß-

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ergebnis von keiner Komponente des Luftspaltes h abhängt,

Folglich erfolgt die Messung der Dielektrizitätskonstante unabhängig von der Größe des Luftspaltes, wodurch die eingangs gestellte Aufgabe gelöst wird.

Der erste Summand in der Gleichung ^9) entspricht der Zähleranzeige bei fehlendem Prüfling im Meßkondensator, d. h. wenn die Dielektrizitätskonstante der Luft (£ = 1) gemessen wird« Der Multiplikand des zweiten Summanden

^df ₂

6= ι 36

ε= ι

entspricht dem Empfindlichkeitsunterschied des Meßkondensators in bezug auf die Dielektrizitätskonstante in. beiden Stellungen des Umschalters 6.

Da der resultierende Zählerstand (<?) als Differenz zweier Frequenzen des Meßgenerators 5 entsteht, die den zwei Kapazitätswerten des Meßkondensators entsprechen, wird aus dem Endergebnis der Einfluß der Störkapazitäten von den Elektroden 1, 2, 3 und der Frequenzdrift des Meßgenerators 5 ausgeschlossen. Davon kann man sich leicht überzeugen, wenn man die Komponente der Störkapazitäten in die Ausgangsgleichungen (1) und (2) oder die Komponente der Frequenzdrift in die Gleichungen (2) und (5) einsetzt, in denen diese störende Faktoren mit gleichen Vorzeichen auftreten. In den endgültigen Zählorstand (?) gehen aber die Komponenten der Störkapazitäten und der Frequenzdrift mit entgegengesetzten Vorzeichen ein Und werden somit aus dem Meßergebnis ausgeschlossen· Dies vergrößert die Meßgenauigkeit.

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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel vollführt der Vorwärts-Rückwärts-Zähler beim ersten Meßvorgang die Addition und beim zweiten Meßvorgang die Subtraktion. Für die eindeutige Bestimmung der-Dielektrizitätskonstante ist das keine zwingende Bedingung. Ebenso hat das Vor^- zeichen beider Summanden im Ausdruck (9) keine Bedeutung. Um aber unmittelbar einen Zifferncode für die Dielektrizitätskonstante bei allen diskreten Betriebsfrequenzwerten der Einrichtung zu erhalten, muß man folgende Bedingung erfüllen:

¹⁰ do

ε -ι.

η = Stellenzahl hinter dem Komma in Zahlenwerten der Dielektrizitätskonstanten.

Entsprechende Änderungen der Bedingungen (5)> (6) ermöglichen die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Messung eines beliebigen Parameters von allen möglichen Kombinationen der dielektrischen und geometrischen Eigenschaften des Prüflings, wenn der Einfluß des anderen Parameters beseitigt wird. Zum Beispiel kann man die Dielektrizitätskonstante von Dünnfilmen unter Beseitigung des Einflusses ihrer Dicke messen, einen zweischichtigen Stoff unter Ausschluß des Einflusses der Dielektrizitätskonstante oder die Dicke einer Schicht kontrollieren usw. Die angeführten Beispiele mit Verwendung von Prüflingen aus festem Dielektrikum schließen die Anwendung der Erfindung für andere Arten von Stoffen, z.B. für flüssige oder pulverförmige Dielektrika, nicht aus.

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Die Vorteile der Erfindung gegenüber den zu ähnlichem Zweck bestimmten Einrichtungen ergeben sich erstens aus der Anwendung eines neuartigen, an das zu prüfende Erzeugnis anlegbaren Meßkondensators, der eine selektive Empfindlichkeit zur Dielektrizitätskonstante und zum Luftspalt zwischen der Oberfläche dieses Heßkondensators und der PrüflingsOberfläche aufweist· Dadurch wird die zerstörungsfreie Prüfung der dielektrischen Eigenschaften von Stoffen unmittelbar an Prüflingen möglich; es ergibt sich auch die Möglichkeit, Proben zu fertigen oder besondere Anforderungen an die Kontaktverhältnisse zwischen dem Meßkondensator und der Oberfläche des Prüflings zu stellen.

Zweitens wird in der Meßeinrichtung ein durch"größte Empfindlichkeit bzw. Wirkung ausgezeichnetes physikalisches Phänomen, nämlich die Resonanz im elektrischen Stromkreis, ausgenutzt, mit deren Hilfe die maximale Empfindlichkeit und schnelle Ansprechbarkeit der Einrichtung erreicht wird.

Die hohe Empfindlichkeit der Einrichtung gestattet die Anwendung eines Meßwertaufnehmers mit minimalen Abmessungen, und ihre schnelle Ansprechbarkeit ermöglicht die Benutzung von Vefahren der technischen Kybernetik zur Erhöhung der Meßgenauigkeit·

Drittens wird zur Übertragung der Information der Meßwerte die Frequenz eines elektrischen Signals benutzt, wobei der Einfluß der Verbindungsdräht® zwischen dem Meßkondensator und den übrigen Geräten beseitigt werden kann· Dies gestattet es, den Meßkondensat®? unmittelbar ata Meßort anzuordnen, ohne den Prüfling &n

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Viertens ist die gemäß der Erfindung aufgebaute Einrichtung frei von den Nachteilen ihrer Vorgänger mit ähnlicher Bestimmung wegen der Benutzung eines besonderen Algorithmus der Meßwertverarbeitung im Gerät selbst. Dabei wird aus dem Meßergebnis nicht nur der Einfluß der Kontakt verhältnis se zwischen dem Meßkondensator und der Erzeugnisobeflache ausgeschlossen, sondern auch die Beeinflussung durch Fehler beseitigt, die wegen der zeitlichen oder umgebungsbedingten !Instabilität von Elementen der Einrichtung entstehen· Bei Benutzung der erfindungsgemäßen Einrichtung entfällt deswegen die Notwendigkeit, einen NuUvorabgleich der Anzeigeanordnung vorzunehmen oder sie regelmäßig zu kontrollieren, wobei sich die Möglichkeit ergibt, die Einrichtung in automatischen Regelkreisen anzuwenden.

Große Arbeitsgeschwindigkeit, einfache Bedienung und Anschlußmöglichkeit für eine Druckeinrichtung tragen fünftens zur Herabsetzung von zufälligen Meßfehlern bei, wenn man statistische Verarbeitungsverfahren für Ergebnisse von mehrmaligen Meßvorgängen benutzt. Falls notwendig, können die Meßergebnisse unmittelbar in einen elektronischen Digitalrechner eingegeben werden. Außerdem sind keine Berechnungen notwendig, da der gesamte Vorgang der Meßwertverarbeitung automatisch im Gerät selbst bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit erfolgt, die durch Anwendung einer Impuls-Meßschaltung gesichert ist. Das Meßergebnis wird in Ziffernform zur unmittelbaren Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten abgelesen.

Es ist auf die *niverseile Verwendbarkeit der Einrichtung hinzuweisen, die mit auswechselbaren Aufnehmern ausgestattet werden kann, um die Messung unter anderen Ver-

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hältnissen durchzuführen oder andere Parameter Ssu kontrollieren. Gemeint ist z. B. die Kontrolle der Dielektrizitätskonstanten bei Beseitigung des Einflusses von Änderungen der Stoffdicke, Kontrolle der Dielektrizitätskonstante von Filmen unter Ausschluß des Einflusses von Änderungen der Dielektrizitätskonstante oder der Dicke ihrer Unterlagen, Dickenmessung von dielektrischen Schichten bei Beseitigung der Beeinflussung durch ihre Dielektrizitätskonstante u. ä.

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Claims

Patentanspruch

Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen aufgrund von wenigstens zwei unterschiedlichen Kapazitätswerten eines Meßkondensators, der in Verbindung mit dem zu untersuchenden Stoff steht und an einen Meßgenerator angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang eines als Reihenschaltung eines Schalters und eines eine Schaltung zur Anzeigelöschung aufweisenden Impulszählers ausgeführten Frequenzmessers verbunden ist, dadurch g e kennzeichne t , daß der Meßkondensator wenigstens zwei an den Eingang des Meßgenerators (5) dauernd angeschlossene Hauptelektroden (1, 2) sowie eine Zusatzelektrode (3) enthält, die. bei der Messung mit Hilfe eines Umschalters (6) abwechselnd an die eine oder andere der Hauptelektroden (1, 2) anschließbar ist, ,daß die Schal» tung (18) zur Anzeigelöschung an einen Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler (1O) über einen Schalter (15) angeschlossen ist, der synchron mit dem Umschalter (6) der Hauptelektroden (1, 2) gesteuert wird, und daß die Zählrichtung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers (1O) mit der Stellung des Umschalters (6) geändert wird.

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ι A .,

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