DE2037157C3

DE2037157C3 - Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen

Info

Publication number: DE2037157C3
Application number: DE19702037157
Authority: DE
Inventors: Karlis Alfredovitsch Bergmanis; Erik Ernestovitsch Klotinsch; Imant Gustovitsch Matis
Original assignee: INSTITUT MECHANIKI POLIMEROV AKADEMII NAUK LATVIISKOI SSR RIGA (SOWJETUNION)
Current assignee: INSTITUT MECHANIKI POLIMEROV AKADEMII NAUK LATVIISKOI SSR RIGA (SOWJETUNION)
Priority date: 1970-02-17
Filing date: 1970-07-27
Publication date: 1979-08-02
Also published as: CS155451B1; GB1277334A; DK137407C; DE2037157A1; DE2037157B2; DK137407B; SU300107A1; FR2080308A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Es ist bereits eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen und zur Zifferndarstellung des Meßwertes, mit einem Meßkondensator, der mittels wenigstens zweier Hauptelektroden sowie einer Zusatzelektrode an den zu untersuchenden Stoff zur Ermittlung von wenigstens zwei unterschiedlichen Kapazitätswerten anlegbar und über die Hauptelektroden an einen Meßgenerator dauernd angeschlossen ist, wobei die Zusatzelektrode bei der Messung mit Hilfe eines Umschalters abwechselnd an die eine oder andere der Hauptelektroden anschließbar ist, bekannt (DE-OS 19 34 084).

Diese Einrichtung ermöglicht mittels der gleichen Elektrodenanordnung eine Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten eines Stoffes aus wenigstens zwei gemessenen Kapazitätswerten. Sie eignet sich jedoch nicht zu einer schnellen und einfachen Messung in Ziffernform.

Es sind weiterhin Einrichtungen zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen bekannt (vgl. SU-Zeitschrift Mechanik der Polymere, 1966, 4, S. 617 bis 623), 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.

Je nach den dielektrischen Eigenschaften des zur Untersuchung bestimmten Stoffes ändert sich die Kapazität des Meßkondensators und beeinflußt die Schwingungsfrequenz 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.

Ein Mangel der bekannten Einrichtungen /ur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoßen 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.

Eine Einrichtung der eingangs genannten Art bzw. mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches ist schließlich bereits vorgeschlagen worden (DE-PS 20 21 811).

Diese bereits vorgeschlagene Einrichtung verwendet einen beliebig aufgebauten Impulszähler und kann insoweit einfach aufgebaut werden. Um jedoch einen Einsatz bei verschiedenen Betriebsfrequenzen zu ermöglichen, muß bei der bereits vorgeschlagenen Einrichtung zuvor ein Referenzoszillator ausgewechselt werden, was sehr zeitaufwendig und mühsam ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglicht, bei der Messung auf einfache Weise verschiedene Betriebsfrequenzen zu verwenden und auch den Einfluß eines Luftspalts zwischen den Meßkondensatorelektroden und der Prüflingsoberfläche auszuschließen.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches erfindungsgemäß durch die Merkmale von dessen kennzeichnendem Teil gelöst.

Die Erfindung ermöglicht eine Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Stoffen und zur Zifferndarstellung des Meßwertes, bei der ohne besondere Maßnahmen große Änderungen der Betriebsfrequenz durchführbar sind und bei der der Einfluß eines Luftspaltes zwischen den Meßkondensatorelektroden und der Prüflingsoberfläche ausgeschlossen wird.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtu ig 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 4 in Verbindung stehen. Die Hauptelektroden 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 Umschalterstellung8 an die Hauptelektrode 2 geschaltet. Der Ausgang des Meßgenerators 5 ist über einen Schalter 9 an den Eingan

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-Röckwärts-Zähler 10 auf Addition und in einer anderen Stellung 13 auf Subtraktion eingestellt Die Umschalter 6 und U 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 17 von ihm getrennt ist

Die nachstehende Beschreibung erklärt die Arbeitsweise der Einrichtung:

Der ganze Meßzyklus zerfallt in zwei Meßvorgänge.

1. Die Meßelektroden 1, 2, 3 werden an den Prüfling 4 angelegt. Beim Einstellen des Umschalters 6 in dk Stellung 7 wird die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode I angeschlossen. Im Prüfung 4 entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlinie in der Zeichnung in Vollinie dargestellt sind. Die Kapazität, die in diesem Fall an den Meßgenerator 5 geschaltet wird, kann in erster Näherung wie folgt ausgedrückt werden:

C₁=C₀₁ +

dt

BC₁

dh

*=0l

(I)

r f + ^a/l

Sf₁ dh

■h

/1=0.

(2)

wobei /oi die Schwingungsfrequenz des Generators 5 beim Fehlen des Prüflings 4 und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 7 bezeichnet.

Die Frequenz /, wird mit dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 10 gemessen, der auf Additionsbetrieb eingestellt ist, da der Schaltern in der Stellung 12 steht. Im Vorwärts-Rückwärts-Zähler ergibt sich dann ein Zählerstand, der der Frequenz/, und der Meßzeit t„ proportional ist:

Sf₁ dt

('-0 i

IA. dh

■h

/i=0

.]■

(3)

10

15

20

25

40

50 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 Vorwärts-Rückwärt-s-Zahler 10 ausgelöst wird' und den Zählerstand N₁ erhält, wird also die vorhergehende Anzeige gelöscht

2. Der Umschalter 6 wird in die Stellung 8 gestellt, bei der die Zusatzelektrode 3 an die Hauptelektrode 2 angeschlossen ist. Im Prüfling 4 entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlininien in der Zeichnung vereinfacht in Strichlinie angegeben sind. Die Kapazität die in diesem Fall dem Meßgenerators zugeschaltet wird, kann wie folgt ausgedrückt werden:

Hierbei bedeutet C₀₁ den Kapazitätswert des an den Meßgenerator 5 angeschalteten Meßkondensators ohne Prüfling und in der Stellung 7 des Umschalters 6; f die relative Dielektrizitätskonstante des Prüflings 4 und h den Luftspalt zwischen den Elektroden und dem Prüfling 4.

Bei einer Kapazität nach Gleichung (1) kann die Schwingungsfrequenz des Meßgerators 5 in ähnlicher Weise bestimmt werden:

C₂ = C₀

SC₁

0-1) +

dh

■h
*=n.

Hierbei ist C₀₂ der Kapazitätswert des Meßkondensators, der an den Meßgenerator ohne Prüfling 4 in der Stellung 8 des Umschalters 6 angeschlossen ist.

Bei einem Kapazitätswert nach Gleichung (4) kann die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators wie folgt ausgedrückt werden:

/2 = /02 +

Sf₂

1 = 0.

Hierbei bedeutet /₀₂ die Schwingungsfrequenz des Meßgenerators 5 bei fehlendem Prüfling 4 und beim Einstellen des Umschalters 6 in die Stellung 8.

Beim zweiten Meßvorgang arbeitet der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 10 im Subtraktionsbetrieb, da der Schalter 11 in der Stellung 13 steht. Die Schaltung 18 zur Anzeigelöschung ist vom Vorwärts-Rückwärls-Zähler 10 getrennt, da der Schalter 15 sich in der Stellung 17 befindet. Bei der Auslösung des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 10 ohne Löschung des vorhergehenden Zählerstandes N₁ wird von ihm also folgender Zählerstand abgezogen:

lh

dt-

dh

Damit sind beide Meßvorgänge beendet, und am Vorwärts-Rückwärtszähler 10 bleibt der endgültige Zählerstand, der die Differenz der Zählerstände N₁ und N₂ darstellt:

Sf₁

dh

■h-f - ^Jo2

SJ₂

h\

* = 0 J

Um den Einfluß des Luftspaltes h auf das Meßergebnis auszuschließen, muß man die Empfindlichkeit des Meßkondensators gegenüber dem Luftspalt 4 in beiden Stellungen des Umschalters6 gleich machen:

Sf₁

/1=0

dh

(8) gültige Zählerstand in Anlehnung an die Gleichung (7) die Form

Sf\

65

Bei Erfüllung dieser Bedingung (8) hat der end-Aus dem Ausdruck (9) ist ersichtlich, daß das Meßergebnis 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 Meßkondensalor, d. h. wenn die Dielektrizitätskonstante der Luft (r = 1) gemessen wird. Der Multiplikand des zweiten Summanden

^A

dt

JlA

dt-

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

Da der resultierende Zählerstand (9) 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 I, 2, 3 und der Frequenzdrift des Meßgenerators 5 ausgeschlossen. Davon kann man sich leicht überzeugen, wenn man die Komponente der Störkapazitäten in die Ausgangsgleichungen (!) 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 Zählerstand (7) gehen aber die Komponenten der Störkapazitäten und der Frequenzdrift mit entgegengesetzen Vorzeichen ein und werden somit aus dem Meßergebnis ausgeschlossen. Dies vergrößert die Meßgenauigkeit.

Im beschriebenen Ausluhrungsbeispiel 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 Vorzeichen beider Summanden im Ausdruck (9) keine Bedeutung. Um aber unmittelbar einen Zifferncode für die Dielektrizitätskonstante bei allen diskreten Bctricbsfrcqucnzwcrten der Einrichtung zu erhalten, muß man folgende Bedingung erfüllen:

ι= 10"

■■(*

(10)

mit π = 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 pulverformige Dielektrika, nicht aus.

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 Meßkondensators und der Prüflingsoberflächc aufweist. Dadurch wird die zerstörungsfreie Prüfung der dielektrischen Eigenschaften von Stoffen

ίο unmittelbar an Prüflingen möglich; es ergibt sich auch die Möglichkeit, Proben zu fertigen oder besondere Anforderungen an die Kontaktverhältnisse zwischen dem Meßkondensalor 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 Ansprechbarkeil ermöglicht die Benutzung von Verfahren 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 Verbindungsdrähte zwischen dem Meßkondensator und den übrigen Geräten beseitigt werden kann. Dies gestattet es, den Meßkondensator unmittelbar am Meßort anzuordnen, ohne den Prüfling zu versetzen.
Viertens ist die gemäß der Erfindung aufgebaute Einrichtung frei von den Nachteilen ihrer Vorgängei mit ähnlicher Bestimmung wegen der Benutzung eines besonderen Algorithmus der Meßwertverarbeitung im Gerät selbst. Dabei wird aus dem Meßergebnis nicht nur der Einfluß der Kontaktverhältnisse zwischen dem Meßkondensator und der Erzeugnisoberfläche ausgeschlossen, sondern auch die Beeinflussung durch Fehler beseitigt, die wegen der zeitlichen oder umgebungsbedingten Unstabilität von Elementen der Einrichtung entstehen. Bei Benutzung der erfindungsge-

mäßen Einrichtung entfällt deswegen die Notwendigkeit, einen Nullvorabgleich der Anzeigeanordnung vorzunehmen oder sie regelmäßig zu kontrollieren wobei sich die Möglichkeit ergibt, die Einrichtung ir automatischen Regelkreisen anzuwenden.

Große Arbeitsgeschwindigkeit, einfache Bedienung und Anschlußmöglichkeit für eine Druckeinrichtunj tragen fünftens zur Herabsetzung von zufälliger Meßfehlern bei, wenn man statistische Verarbeitungs verfahren für Ergebnisse von mehrmaligen Meßvorgangen benutzt. Falls notwendig, können die Meßer gebnisse unmittelbar in einen elektronischen Digital rechner eingegeben werden. Außerdem sind keine Berechnungen notwendig, da der gesamte Vorgang dei Meßwertverarbeitung automatisch im Gerät selbsi bei hoher Arbeitsgeschwindigkeit erfolgt, die durcr Anwendung einer Inipuls-Meßschaltung gesichert ist Das Meßergebnis wird in Ziffernform zur unmittelbaren Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten abge lesen.

Es ist auf die universelle Verwendbarkeit der Ein richtung hinzuweisen, die mit auswechselbaren Auf nehmern ausgestattet werden kann, um die Messung unter anderen Verhältnissen durchzuführen oder an

dere Parameter zu kontrollieren. Gemeint ist /. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstante von Stoffen und zur Zifferndarstellung des Meßwertes, mit einem Meßkondensator, der mittels wenigstens zweier Hauptelektroden sowie einer Zusatzelektrode an den zu untersuchenden Stoff zur Ermittlung von wenigstens zwei unterschiedlichen Kapazitätswerten anlegbar und über die Hauptelektroden an einen Meßgenerator dauernd angeschlossen ist,wobei die Zusatzelektrode bei der Messung mit Hilfe eines Umschalters abwechselnd an die eine oder andere der Hauptelektroden anschließbar ist, wobei der Ausgang des Meßgenerators mit dem Eingang eines eine >s Schaltung zur Anzeigelöschung aufweisenden und als Frequenzmesser ausgeführten Impulszählers verbunden ist, und wobei die Schaltung zur Anzeigelöschung an den impulszähler mit Ziffernanzeige über einen Schafter angeschlossen ist, der *° synchron mit dem Umschalter der Hauptelektroden gesteuert ist, dadurchgekennzeic hn e t, daß der lmpulszähler(10)ein Vorwärts-Rückwärts-Impulszähler ist, dessen Zählrichtung mit der Stellung des Umschalters (6) änderbar ist. *5