DE2943198A1

DE2943198A1 - Vorrichtung zum messen der elektrischen impedanz von insbesondere teilchenfoermigen materialien

Info

Publication number: DE2943198A1
Application number: DE19792943198
Authority: DE
Inventors: Fritz K. Bellevue Wash. Preikschat
Original assignee: KAELLE EUR CONTROL
Current assignee: KAELLE EUR CONTROL
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1979-10-25
Publication date: 1981-05-14
Also published as: FR2468916A1; FR2468916B1

Description

PATENTANWALT

DIPL.-ING. GERD COMMENTZ

7 STUTTGART I

KLIPPENBCtCSTRASSE 4 - TELEFON (07 II) 4«Si

25. Oktober 1979 B 2902 P

EUR-CONTROL KALLE AB, SÄFFLE (SCHWEDEN)

Vorrichtung zu« Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien. Dabei soll vordergründig die Möglichkeit für ein getrenntes Messen der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten solcher Materialien bestehen.

Die für das Messen solcher elektrischer Kenngrößen berücksichtigten Materialien sind beispielsweise Holzschnitzel, Sägemehl oder Getreidekörner, aber auch Kohlestücke und erzhaltige Konzentrate, so daß insoweit keine bestimmten Beschränkungen vorliegen. Dies gilt auch für die Durchführung der Messungen, die entweder fortlaufend vorgenommen werden können, indem die zu messenden Materialien kontinuierlich an einer Elektrode vor-

I 30020/0086

OMMiBZDASK; STUTTCAHr NR. 7751017 POSTSCHECKAMT STlTTTGAiT NR. 15780 ■ TELBPONISCHS AUSKÜNFTE SIND UNVBaBtNDlICH

294 315) fi

beigeführt werden, die ein Bauteil einer solchen Meßvorrichtung bildet. Die Messungen können andererseits auch diskontinuierlich an entnommenen Materialproben durchgeführt werden, die dann in einen geeigneten Probenbehälter eingelegt werden, in dem dann ebenfalls eine ein Bauteil der Meßvorrichtung bildende Elektrode angeordnet ist. Zum Stand der Technik kann insoweit auf die US-PS'en 3 781 671, 3 824 461 und 3 992 665 hingewiesen werden, die für konstruktive Einzelheiten solcher Meßvorrichtungen eine ergänzende Beschreibung der vorliegenden Erfindung ergeben.

Bei den bekannten Meßvorrichtungen ist mithin in aller Regel ein zur Aufnahme einer Materialprobe ausgebildetes Gefäß vorhanden, das eine geerdete Elektrode aufnimmt oder selbst als diese geerdete Elektrode fungiert, die dabei dann beispielsweise eine offene Kastenform mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt. In das Innere dieser kastenförmigen Elektrode ist eine Aktivelektrode eingelegt, die normal durch eine Metallplatte bereitgestellt ist und parallel zu den Seitenwänden angeordnet wird, so daß sich ein einheitliches elektrisches Feld innerhalb einer solchen kastenförmigen Elektrode ausbilden kann. Für diese Elektrode, die noch Füll- und Entnahmeöffnungen für die Materialien aufweist, kann ein konstantes Füllvolumen zumindest für die Dauer der Messung einer Materialprobe vorausgesetzt werden.

Bei den bekannten Meßvorrichtungen ist weiterhin ein Signalerzeuger vorhanden, der ein Prüfsignal einer bestimmten Fre-

130020/008S

quenz vorzugsweise im Megahertz-Bereich erzeugt. Dieses Prüfsignal wird an eine Brückenschaltung abgegeben, die an die Aktivelektrode und an Erdspannung angeschlossen ist. Wenn die Meßvorrichtung in Betrieb ist, erzeugt die Brükkenschaltung ein hochfrequentes Signal, das folglich an die Aktivelektrode abgegeben wird, womit diese ein hochfrequentes elektrisches Feld im Inneren des Gehäuses und damit auch in der von diesem Gehäuse aufgenommenen Materialprobe erzeugt. Durch die elektrische Impedanz der Probe wird dann eine Brtickenverstimmung erhalten, womit die Brückenschaltung am Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Phase in Relation zu derjenigen des Prüfsignals und dessen Amplitude mithin in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz bzw. der reziproken Impedanz der Materialprobe.

Dieses Ausgangssignal der Brückenschaltung wird einem steuerbaren Gleichrichter zugeleitet, und zwar notfalls erst dann, wenn die Materialprobe einen Temperaturausgleich erfahren hat sowie ggf* auch eine Vereinheitlichung eventueller Schwankungen ihrer Massedichte. Dem Gleichrichter ist dafür ein Bezugssignal zugeleitet, dessen Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals ist und dessen Phase in einer vorbestimmten Beziehung zu derjenigen des Prüfsignals steht. Steht das Bezugssignal in Phase mit dem Prüfsignal, dann liefert der Gleichrichter ein Gleichstrom-Signal, das in Beziehung steht zu der Konduktanz-Komponente bzw. der Leitfähigkeit der gemessenen elektrischen Admittanz. Steht

130 0 20/0008

das Bezugssignal aber um 9o ' außer Phase zu dem Prüfsignal, dann liefert der Gleichrichtsr ein Gleichstrom-Signal, das in Beziehung steht zu der Suszeptanz-Komponente bzw. des dielektrischen Koeffizienten der gemessenen elektrischen Admittanz.

Für den Meßvorgang der elektrischen Impedanz können bei bestimmten teilchenförmigen Materialien, wie beispielsweise Holzschnitzeln, sehr niedrige dielektrische Koeffizienten erscheinen, womit auch entsprechend niedrige Werte der Kapazität in der Größenordnung von zum Beispiel nur 60 bis 4oo Pikofarad bei andererseits sehr hohen Werten der Leitfähigkeit in der Größenordnung von immerhin bis zu 2o.ooo Mikroohms, das heißt einem Widerstand von 5o Ohms, erhalten werden. Um diese Werte des dielektrischen Koeffizienten und der Leitfähigkeit genau und präzise messen zu können, müssen die Prüf- und Bezugssignale eine sehr hohe Phasenstabilität haben und dabei auch relativ frei von jeder Art von Oberschwingung sein. Auch muß die Phasenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem Prüfsignal sowie dem Ausgangssignal der Brükkenschaltung äußerst präzise gesteuert werden können, damit im Ausgangssignal der Brückenschaltung die Konduktanz- und Suszeptanz-Komponenten eindeutig voneinander unterschieden und dann präzise gemessen werden können. Es hat sich bis jetzt als äußerst schwierig erwiesen, mit den bekannten Meßvorrichtungen unter solchen Umständen genaue Meßßergebnisse zu erhalten, weil es damit insbesondere nicht möglich war, eine genügende Phasenstabilltät zu erreichen und für

130020/0085

ORIGINAL INSPECTED

die Dauer der Messung auch aufrecht zu erhalten, den Anteil der Oberschwingungen niedrig zu halten und die Phasenbeziehung exakt zu steuern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien bereitzustellen, die es insbesondere erlaubt, die Leitfähigkeit und den dielektrischen Koeffizienten mit einer vergleichbar größeren Meßgenauigkeit zu messen. Die beiden Meßwerte sollen dabei insbesondere getrennt meßbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Meßvorrichtung bereitgestellt, welche die folgenden Merkmale aufweist:

a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals einer vorbestimmten Frequenz f_Q;

b) eine auf dieses Prüfsignal ansprechende zweite Einrichtung zur Lieferung eines Ausgangssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei die auf das Prüfsignal bezogene Phase und die Amplitude dieses AusgangsSignaIs in Beziehung stehen zu dem Meßwert für die elektrische Admittanz der Materialprobe;

c) eine dritte Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz,

1 3 0 υ 2 0 / 0 0 θ S

wobei diese dritte Einrichtung für die Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei einer vorbestimmten Frequenz f«^ eingerichtet ist, bei f wesentlich größer als f,^ , so daß das Bezugssignal aufeinanderfolgend in Phase und im we sent!
Phase zu dem Prüfsignal steht;

folgend in Phase und im wesentlichen um 9o° außer

d) eine vierte Einrichtung zum Mischen des Ausgangssignals der zweiten Einrichtung und des Bezugssignals, wobei ein Ausgangssignal erhalten wird, das aufeinanderfolgend in Beziehung steht zu der Leitfähigkeit und dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe.

Für eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung ist diese Meßvorrichtung so gestaltet, daß sie die folgenden Merkmale aufweist!

a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals einer vorbestimmten Frequenz f ;

b) eine zweite Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei diese zweite Einrichtung für die aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei der Frequenz f^ eingerichtet ist, bei f wesentlich größer als f^ , so daß das Bezugssignal bezüglich des Prüfsignals aufeinanderfolgend im wesentlichen in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase steht;

1 30020/0085

ORIGINAL INSPECTED

c) eine in der Nähe der Materialprobe angeordnete Elektrode;

d) eine Brückenschaltung, die an dem einen von zwei Eingängen über eine dritte Einrichtung mit dieser Elektrode verbunden ist;

e) eine vierte Einrichtung, mittels der das Prüfsignal an den zweiten Eingang der Brückenschaltung angeliefert wird, womit an einem Ausgang der Brückenschaltung ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals und dessen auf das Prüfsignal bezogene Phase und Amplitude in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der Materialprobe;

f) einen mittels einer fünften Einrichtung an dem einen von zwei Eingängen mit dem Ausgang der Brückenschaltung verbundenen Mischer;

g) eine sechste Einrichtung, mittels der das Bezugssignal an den zweiten Eingang des Mischers angeliefert wird, womit an einem Ausgang des Mischers ein zeitmultiplexiertes Ausgangssignal erhalten wird, das aufeinanderfolgend vier unterschiedliche Gleichstromwerte aufweist, die proportional sind zu einer positiven Konduktanz-Komponente,

^; 3 O J 2 O / O O θ 6

einer positiven Suszeptanz-Komponente, einer negativen Konduktanz-Komponente und einer negativen Suszeptanz-Komponente der Brückenschaltung.

Die Meßvorrichtung kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung auch einen Speicher für die Gleichstrom-Signale der vier verschieden hohen Werte umfassen. Für diese Ausbildung kann dann noch vorgesehen sein, daß die absolute Differenz zwischen den Speicherwerten der ersten und dritten Werthöhe gebildet wird zur Lieferung eines ersten Ausgangssignals, das proportional zu der Leitfähigkeit der Materialprobe ist. Andererseits wird die absolute Differenz der Speicherwerte der zweiten und vierten Werthöhe gebildet, um analog ein zweites Ausgangssignal zu erhalten, das proportional zu dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe ist.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den einzelnen Ansprüchen erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 u. 2 ein Block- und Schaltdiagramm einer Meßvorrichtung zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien gemäß einer bevorzugten Ausführungs.form der Erfindung,

130020/0085

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der verschiedenen Wellenformen der Prüf- und Bezugssignale sowie des phasenmodulierten Ausgangssignals der Brückenschaltung bei der Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 ein Vektordiagramm für das Ausgangssignal

der Brückenschaltung und

Fig. 5 eine Diagramm zur Darstellung der Wellenform des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers der Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2.

Die nachfolgend näher beschriebene Meßvorrichtung ist zum Messen der elektrischen Impedanz einer teilchenförmigen Materialprobe vorgesehen, wobei hier gleichzeitig klarzustellen ist, daß die Meßvorrichtung auch für andere Materialarten einsetzbar ist, bei denen die elektrische Impedanz außer an einer Materialprobe auch an einem kontinuierlichen Materialfluß gemessen werden kann.

Bei der Meßvorrichtung ist zunächst ein der Aufnahme einer Materialprobe dienendes Gefäß 1o verwirklicht, dessen konstruktive Ausbildung gleich sein kann wie bei den Meßvorrichtungen des Standes der Technik gemäß der US-PS'en 3 781 671, 3 824 461 oder 3 992 665. Es umfaßt mithin eine geerdete Elektrode 12, die

i30 iJ 20/0086

29A3198

in die Gefäßform mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt verformt ist und in der Mitte eine durch eine Metallplatte gebildete Aktivelektrode ΛU aufnimmt, die so angeordnet wird, daß sie parallel und im Abstand zu den Seitenwänden des Gefäßes liegt. Dadurch kann sich im Inneren des Gefäßes ein im wesentlichen einheitliches elektrisches Feld ausbilden, das mithin auch die von dem Gefäß aufgenommene Materialprobe durchsetzt. Das Gefäß 1o ist weiterhin mit einer im einzelnen nicht gezeigten Füllöffnung und einer Auslaßöffnung versehen, die so angeordnet sind, daß sich für das Gefäß 1o ein konstantes Füllvolumen für Jede darin zur Durchführung eines Meßvorgangs anzuordnende Materialprobe ergibt.

Die Aktivelektrode 12 ist an eine Brückenschaltung 16 angeschlossen, die durch die zu messende elektrische Impedanz der Materialprobe eine Verstimmung erfährt, deren Größe in Beziehung steht zu dem betreffenden Meßwert. Die Brückenschaltung 16 erhält an einem Eingang 16A ein hochfrequentes Prüfsignal und liefert an einem Ausgang 16B ein Ausgangssignal, dessen Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals ist und dessen Phase relativ zu derjenigen des Prüfsignals sowie dessen Amplitude in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz bzw. der reziproken Impedanz der in dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe .

Das an dem Eingang 16A der Brückenschaltung 16 angelieferte Prüfsignal wird primär von einem Schwingkreis 18 erhalten, dessen Ausgangssignal eine sinusförmige Wellenform einer Fre-

1 30020/008S

quenz f vorzugsweise im Megahertz-Bereich aufweist. Der Schwingkreis 18 ist vorzugsweise kristallgesteuert, damit er ein hohes Ausmaß an Frequenz- und Phasenstabilität aufweist und ein Ausgangssignal liefert, das verhältnismäßig frei von jeder Art von Oberschwingung ist. Das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 wird an den Eingang eines Phasenverschiebungskreises 2o angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer um 45° der Phase des Ausgangssignals des Schwingkreises 18 voraneilenden Phase liefert. Auch kann dieser Phasenverschiebungskreis 2o so eingestellt werden, daß er die Phase des Ausgangssignals um den Wert £0 verändert. Der Zweck dieser Maßnahme wird später noch näher erläutert. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungskreises 2o wird an den Eingang eines Verstärkers 22 angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer präzise geregelten Amplitude liefert. Die Regelgenauigkeit des Verstärkers 22 sollte nicht schlechter sein als etwa - 1#, um damit eine entsprechend genaue Messung der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe zu erhalten. Die Meßgenauigkeit ist mithin abhängig von der Amplitudenstabilität des Prüfsignals, das der Brückenschaltung 16 angeliefert wird.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 wird der einen Seite der Primärspule eines Transformators TR₁ angeliefert, deren andere Seite an eine negative Speisespannung -V« angeschlossen ist. Das maßgebliche Prüfsignal erscheint mithin in der geerdeten Sekundärspule des Transformators TR₁, die über ein Abschinnkabel 24 mit der vorzugsweise nahe dem Gefäß 1o angeordneten

130 (J 20/0085

Brückenschaltung 16 verbunden ist. Um die Geräuschaufnahme auf einem Minimum zu halten, ist das Abschirmkabel 24 an seinen beiden Anschlußenden an die Sekundärspule des Transformators TR.. bzw. an die Brückenschaltung 16 geerdet.

Für einen typischen Anwendungη fall einer solchen Meßvorrichtung kann die Brückenschaltung 16 in einer doch sehr großen Entfernung von dem Schwingkreis 18 und allen damit unmittelbar zusammengebauten Vorrichtungsteilen angeordnet sein, so daß das Abschirmkabel 24 eine entsprechende Länge hat, die folglich nicht vernachlässigbar ist in bezug auf die Wellenlänge des Prüfsignals. Bei einer beispielsweisen Länge von 3o m und mehr des Abschirmkabels 24 muß daher dafür vorgesorgt sein, daß an den Kabelenden eine Impedanz erhalten wird, die im wesentlichen gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels ist, um so die Ausbildung von stehenden Wellen zu verhindern, die selbstverständlich eine Verschiebung der Phase und der Amplitude des Prüfsignals verursachen würden. Demgemäß wird diese Impedanz an dem einen Kabelende auf diejenige des Transformators TR₁ abgestimmt, während sie am anderen Kabelende über zwei Widerstände R₁ und Rp erhalten wird, über die der Anschluß an den Eingang 16A der Brückenschaltung 16 auch geerdet wird. Innerhalb der Brückenschaltung 16 ist der Eingang 16A andererseits an die jeweilige Basis von zwei Transistoren Q₁ und Q₂ angeschlossen, womit dieses Anschlußende des Abschirmkabels 24 an die Brückenschaltung 16 eine Impedanz erhält, die gleich derjenigen der beiden Basen dieser

1 30020/008S

Transistoren Q₁ und Q₂ sowie der Widerstände R₁ und R₂ ist, wobei die Impedanzen der Widerstände R₁ und R₂ auf die Impedanz des Abschirmkabels abgestimmt werden können.

Bei der Brückenschaltung 16 ist weiterhin der Emitter des einen Transistors Q₁ über einen Widerstand R, an die eine Seite eines Potentiometers R,- angeschlossen, an dessen andere Seite der Emitter des Transistors Q₂ über einen weiteren Widerstand R^ angeschlossen ist. An den Abgriff des Potentiometers Rc ist die negative Speisespannung -V_g angelegt. An einen gemeinsamen Knotenpunkt des Widerstandes R^ und des Emitters von dem Transistor Q₁ ist ein einstellbarer Kondensator C₁ angeschlossen, der geerdet ist. Andererseits ist an einen entsprechenden Knotenpunkt des Widerstandes R^ und des Emitters von dem aideren Transistor Qp die Aktivelektrode angeschlossen. Ein Widerstand Rg verbindet den Kollektor des Transistors Q₁ mit der einen Seite der Primärspule eines Transformators TR₂, dessen andere Seite über einen Widerstand mit dem Kollektor des Transistors Q₂ verbunden ist. Die Primärspule des Transformators TR₂ ist in erste und zweite im wesentlichen symmetrische Abschnitte geteilt, die in Reihe liegen und einen gemeinsamen mittleren Abgriff haben. Mit diesem mittleren Abgriff ist ein geerdeter Kondensator C₂ verbunden sowie auch ein weiterer Widerstand Rq, über den der Abgriff dieser Primärspule des Transformators TR₂ mit einer positiven Speisespannung +Vg verbunden ist. Der Transformator TR₂ umfaßt andererseits noch eine einzige Sekundfirspule, deren eine Seite geerdet und deren andere Seite

130020/OOIS

mit demjenigen Ausgang 16B der Briickenschaltung 16 verbunden ist, an dem das zur Auswertung des Meßergebnisses maßgebliche Ausgangssignal erhalten wird.

Da die zu messende Impedanz im Vergleich zu derjenigen des Abschirmkabels 24 extrem niedrig ist, sind die beiden Transistoren CL und Qp so gewählt, daß sie eine relativ hohe Impedanz an der Basis und eine relativ niedrige Impedanz an dem Emitter haben, so daß damit die restliche Brückenschaltung 16 eine entsprechende Isolierung gegenüber dem das Prüfsignal liefernden Teil der Meßvorrichtung einschl. dem Abschirmkabel 24 erfährt. Der Widerstand R_Q liefert dabei gleichzeitig die Betriebsspannung für die Kollektoren der beiden Transistoren CL und Q₂, die andererseits von dem Kondensator C₂ aufrecht erhalten wird, während dieser Kondensator Cp gleichzeitig einen geerdeten Stromweg für die Wechselstromsignale darbietet, die in den beiden Abschnitten der Primärspule des Transformators TRp auftreten. Das über den Transistor Q₂ an die Aktivelektrode 14 gelangende Prüfsignal erzeugt mithin innerhalb des Gehäuses 1o ein hochfrequentes elektrisches Feld, wobei die an dem Emitter jedes der beiden Transistoren Q^ und Qp liegende Impedanz bestimmend ist für die Amplitude und die Phase des jeweiligen Emitterstromes dieser beiden Transistoren und damit auch der Amplitude und der Phase des jeweiligen Kollektorstromes. Da die Kollektoren der beiden Transistoren Q₁ und Q₂ mit den gegenüberliegenden Seiten der Primärspule des Transformators TRp verbunden sind, und da die ersten und zweiten Abschnitte dieser Primärspule im wesentlichen sym-

130020/0006

metrisch ausgebildet sind und in Reihe liegen, erzeugen folglich gleiche Kollektorströme der beiden Transistoren Q₁ und Q₂ zueinander entgegengesetzte InduktionsflUsse in dem Transformator TR₂» womit an dem Ausgang der Brückenschaltung 16 kein Signal erhalten wird, solange sich in dem Gefäß 1o keine Materialprobe befindet. Der Kondensator C₁ und das Potentiometer Rc sind mithin so eingestellt, daß die Brückenschaltung 16 dann abgeglichen ist, d.h. dieser Abgleich der Brückenschaltung 16 wird folglich mit den gleichen Kollektorströmen der beiden Transistoren Q₁ und Qp erhalten. Wenn sich andererseits in dem Gefäß 1o eine Materialprobe befindet, dann erfährt dadurch die Brückenschaltung 16 eine Verstimmung, womit an dem Ausgang 16B ein Signal erhalten wird, dessen Amplitude und Phase in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der Materialprobe bei einer Frequenzgleichheit dieses Ausgangssignals mit dem Prüfsignal.

Um- die Komponenten der Konduktanz und der Suszeptanz der gemessenen elektrischen Admittanz zuverlässig voneinander unterscheiden zu können, wobei diese Komponenten durch die in dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 16 enthaltenen Informationen über die Amplitude und die Phase bestiemt sind, muß dieses Ausgangssignal der Brückenschaltung moduliert werden. Für diese Modulation wird ein Bezugssignal einer mit dem Prüfsignal und damit auch mit dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 16 ρ Leichen Frequenz £ benutzt, das zur Erzielung eines genauen Meßergebnisses folglich ebenso

130020/0015

29Λ3198

präzise in der Phase und in dar Amplitude gesteuert und für den damit bezweckten Vergleich in die Nähe der Brückenschaltung 16 angeliefert wird.

Um dieses Bezugssignal zu erhalten, wird das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 auch an den Eingang eines weiteren Phasenverschiebungskreises 31 angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal einer Phase erzeugt, die derjenigen des Ausgangssignals des Schwingkreises 18 um 45° voraneilt. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungskreises 31 wird direkt einem ersten Signaleingang eines Schalters 26 sowie über einen Inverter 28 auch einem dritten Signaleingang dieses Schalters 26 zugeführt. Das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 wird parallel dazu einem anderen Phasenverschiebungskreis 3o zugeleitet, der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer Phase liefert, die gegenüber derjenigen des Ausgangssignals des Schwingkreises 18 um 45° verzögert ist. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungskreises 3o wird einmal direkt einem vierten Signaleingang des Schalters 26 und zum anderen indirekt über einen Inverter 32 einem zweiten Signaleingang dieses Schalters 26 zugeleitet. Die an die vier Signaleingänge des Schalters 26 angelieferten Signale stehen daher bezüglich des Prüfsignals in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase.

Neben dem Schwingkreis 18 ist ein weiterer Schwingkreis 34 vorgesehen, an dessen Ausgang ein Rechtecksignal erhalten wird, dessen Frequenz vorzugsweise im Hörfrequenzbereich

130020/0006

liegen sollte. Dieses Ausgangssignal des Schwingkreises 34 wird einem Zähler 36 zugeleitet, der vorzugsweise als ein Teilerzähler mit dem Teilungsfaktor 4 ausgebildet ist und folglich eine Folge von vier Ausgangssignalen in den entsprechenden vier Ausgängen 36A erzeugt, wobei Jedes einzelne Ausgangssignal eine Dauer gleich der Periode des Ausgangssignals des Schwingkreises 34 hat. Die Ausgänge 36A sind an vier entsprechende Steuereingänge des Schalters 26 angeschlossen, womit der Schalter 26 die über die anderen Eingänge in der vorerwähnten Phasenverschiebung bezüglich des Prüfsignals angelieferten Signale in Abhängigkeit davon aufeinanderfolgend abgeben kann, wie diese Steuereingänge durch den Zähler 36 aufgesteuert werden. Die an dem Schalter 26 erhaltenen Ausgangssignale haben mithin eine Frequenz f , die gleich derjenigen des Prüfsignals ist, wobei sie sich aufeinanderfolgend nur in der Phase unterscheiden,d.h. die Ausgangssignale des Schalters 26 stehen bezüglich des Prüfsignals in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase, Das überwechsln zwischen diesen einzelnen Phasen geschieht bei einer relativ niedrigen Frequenz f^ , die bestimmt ist durch die Widerholungsrate der Ausgangssignale des Zählers 36, wobei die Frequenz f des von dem Schwingkreis 18 erhaltenen Prüfsignals wesentlich größer ist als diese Frequenz Der Größenunterschied kann beispielsweise den Faktor 1.ooo .

betragen.

Das an dem Ausgang des Schalters 26 erhaltene Ausgangssignal wird dem Eingang eines Verstärkers 38 übergeben, der ein ent-

1 3 0 ! J 2 0 / 0 Q a 6

sprechendes Ausgangssignal liefert, das folglich das maßgebliche Bezugssignal darstellt. Dieses Bezugssignal wird an die eine Seite der Primärspule eines Transformators TR, übergeben, dessen andere Seite mit der negativen Speisespannung -Vg verbunden ist. Die eine Seite der Sekundärspule des Transformators TR- ist andererseits über einen Kondensator C, geerdet, während die andere Seite dieser Sekundärspule über ein Abschirmkabel 4o an einen ersten Eingang 42A eines Mischers 42 angeschlossen ist, der sich nahe der Brückenschaltung 16 befindet. Auch bei dem Abschirmkabel 4o sind ähnlich dem Abschirmkabel 24 die beiden K^belenden geerdet, um so zu verhindern, daß das Bezugssignal keine Verschiebung seiner Amplitude oder seiner Phase relativ zu dem Prüfsignal erfährt. Die beiden Abschirmkabel 24 und 4o sollten im übrigen eine gleiche Länge haben, um insoweit ebenfalls übereinstimmende Voraussetzungen zu erfüllen. Gleiches trifft auch zu für den Transformator TR,, der also gleich ausgeführt sein sollte wie der Transformator TR₁, um so auch für die einen Kabelenden übereinstimmende Eingangsimpedanzen zu erhalten.

Der Anschluß an den Eingang 42a des Mischers 42, der eine für einen doppelten Abgleich geeignete Ausbildung hat, ist für das Abschirmkabel 4o über einen Widerstand Rq und einen Kondensator C< geschaffen, die beide in Reihe liegen. Innerhalb des Mischers 42 ist der Eingang 42A an die eine Seite der Primärspule eines Transformators TR< angeschlossen, dessen andere Seite geerdet ist. Die Sekundärspule dieses Transformators TR^ hat ähnlich dem Transformator TRp zwei im wesent-

130020/008B

lichen symmetrisch ausgebildete und in Reihe liegende Abschnitte mit einem mittleren Abgriff, der als Ausgang 42B des Mischers 42 dient und über einen Kondensator C₅ geerdet ist. Der Ausgang 42B ist über einen Induktor L₁ an das Abschirmkabel 4o angeschlossen. Der Ausgang I6B der Brückenschaltung 16 ist andererseits über einen zweiten Eingang 42C an den Mischer 42 angeschlossen, wobei dieser zweite Eingang 42C mit der einen Seite der Primärspule eines Transformators TRc verbunden ist, dessen andere Seite geerdet ist. Die Sekundärspule dieses Transformators TRc umfaBt gleichartig wie die Transformatoren TR₂ und TR» zwei symmetrisch ausgebildete und in Reihe liegende Abschnitte mit einem zentralen Abgriff, der aber bei diesem Transformator TRc direkt geerdet ist. Im übrigen sind die Sekundärspulen der beiden Transformatoren TR^ und TRc mit vier Dioden D^ bis D^ im Ring geschaltet, wobei in diesem Ringkreis alle vier Dioden für die Einhaltung einer gleichen Stromrichtung gepolt sind.

Zur Erklärung der Arbeitsweise dieses Mischers 42 sei zunächst vorausgesetzt, daß das Bezugssignal über den Eingang 42A angeliefert worden ist, während gleichzeitig von der Brückenschaltung 16 kein Ausgangssignal an den anderen Eingang 42C angeliefert worden ist. Die beiden Dioden D^ und Dp vermitteln dann einen Stromweg über die Sekundärspulen der beiden Transformatoren TR^ und TR,- während der positiven Halbperioden des Bezugssignals, und derselbe Stromweg

13Q02Q/QQS6

wird andererseits durch die leiden Dioden D₃ und D^ während der negativen Halbperioden des Bezugssignals bereitgestellt. Der Spannungsabfall über jede Sekundärspule der beiden Transformatoren TR^ und TRc ist dann gleich der Summe der Vorwärtsspannungen der beiden jeweiligen Dioden D-pD? ^D2W· ^D3» D^, indem diese Dioden dann in Vorwärtsrichtung leiten. Das über die Sekundärspulen der beiden Transformatoren geleitete Bezugssignal erfährt dadurch die in Fig.3a mit dem verstärkten Linienzug angedeutete Beschneidung, und da kein Eingangssignal an dem anderen Eingang 42C des Mischers 42 angeliefert ist, sind folglich die Ströme durch die beiden jeweils leitenden Dioden D₁, D₂ bzw. D,, D^ gleich. Mithin fließt dann kein Strom durch den mittleren Abgriff der Sekundärspule des Transformators TR,, womit auch an dem Ausgang 42B des Mischers 42 kein Ausgangssignal erhalten wird. Der Ausgang des Mischers 42 ist dann also Null.

Wenn nun das über den Eingang 42A dem Mischer 42 zugeleitete Bezugssignal in Phase steht mit dem Prüfsignal, das der Brückenschaltung 16 übergeben wird, womit an dem Ausgang 16B der Brückenschaltung 16 ein Ausgangssignal erhalten werden soll, das bezüglich des eingangsseitigen Prüfsignals bei einer bestimmten Amplitude dne bestimmte Phasenverschiebund um den Betrag 0_S hat, wobei diese Phasenverschiebung dann auch bezüglich des Bezugssignals gilt, dann fließen solange ungleich große Ströme in den jeweils leitenden Dioden D₁, Dp bzw. D,, D^, wie das überdie Sekundärspule des Transformators TR,- erscheinende Ausgangssignal der Brücken-

130020/0086

Zl-

schaltung kleiner ist als das über die Sekundärspule des Transformators TR^ erscheinende abgeschnittene Bezugssignal. Für die Dauer dieser unterschiedlichen Signalgrößen und also für die Dauer dieser ungleichen Ströme wird folglich dann an dem zentralen Abgriff der Sekundärspule des Transformators TR- ein Strom erhalten, dessen Frequenz doppelt so groß ist wie das Ausgangssignal der Brückenschaltung bei einem mittleren Gleichstrompegel, der proportional zu der Amplitude der einen Komponente des Ausgangssignals der Brückenschaltung ist, die in Phase mit dem Bezugssignal steht. Es wird hierzu auf die Darstellung in Fig.3c verwiesen, die folglich die aus den Fig.3a und 3b abgeleitete Wellenform zeigt, die unter solchen Voraussetzungen an dem Ausgang 42B des Mischers 42 erhalten wird.

Die Phase des Bezugssignals ändert sich nun zu derjenigen des Prüfsignals um jeweils 9o° in einzelnen aufeinanderfolgenden Abständen. Wird insoweit gemäß der Darstellung in Fig.4 das Ausgangssignal der Brückenschaltung als ein Vektor dargestellt, der eine bestimmte Größe und eine bestimmte Phase 0« in bezug auf die Phase des Prüfsignals aufweist, dann kann dieser Vektor in eine Konduktanz-Komponente und in eine Suszeptanz-Komponente zerlegt werden. Die Konduktanz-Komponente steht dabei in Phase und um 18o° außer Phase zu dem Prüfsignal, während die Suszeptanz-Komponente um 9o° und um ?7o° außer Phase zu dem Prüfsignal steht. Die Konduktanz-Komponente ist weiterhin proportional zu der Leitfähigkeit (1/R) der gemessenen elektri-

130Ö20/008S

sehen Admittanz, während die Suszeptanz-Komponente proportional ist zu dem dielektrischen Koeffizienten (jco C) der gemessenen elektrischen Admittanz ist. Wenn die Phase des Bezugssignals in bezug auf das Prüfsignal aufeinanderfolgend verschoben wird, dann wird das Ausgangssignal des Mischers 42 bei der relativ niedrigen Frequenz f^ der Ausgangssignale des Zählers 36 zeitmultiplexiert und erhält folglich einen Gleichstrom-Pegel, der aufeinanderfolgend proportional ist zu den Werten +(1/R), +(jCO C), -(1/R) und -(JcOC). Dieses zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers 42 beinhaltet folglich die gleich großen positiven und negativen Werte der Leitfähigkeit (1/R) und des dielektrischen Koeffizienten (jcoC), womit jede nachteilige Einwirkung auf die Vorspannung der Verstärker vermieden wird, die in dem Netz nachgeschaltet sind. Der Kondensator C₁- und der Induktor C₁ filtern aus dem Ausgangssignal des Mischers die 2f_Q-Komponente heraus, womit dem Abschirmkabel ein zeitmultiplexiertes Signal der in Fig.5 gezeigten Wellenform übergeben vird, dessen Frequenz f^ mithin bestimmt ist durch diejenige der Ausgangssignale des Zählers 36 und dessen Amplitude aufeinanderfolgend proportional ist zu der Amplitude des Ausgangssignals der Brückenschaltung während der vier aufeinanderfolgenden Phasenpositionen des Bezugssignals. Der Kondensator Cc und der Induktor L^ verhindern daneben, daß das Bezugssignal dem Mischer 42 über seinen Ausgang 42B zugeleitet wird, während der Kondensator C^ verhindert, daß das Ausgangssignal des Mischers 42 wieder über den Eingang 42A dem Mischer zugeleitet vird. Der Widerstand Rq ist dabei

130020/0086

im übrigen so gewählt, daß der Mischer 42 bezüglich des Abschirmkabels 4o eine Impedanz erhält,die im wesentlichen gleich derjenigen dieses Abschirmkabels ist, um so alle unerwünschten Signalabweichungen zu verhindern, die weiter oben vermerkt wurden.

Das zeitmultiplex!erte Ausgangssignal des Mischers 42 wird über das Abschirmkabel 4o an den Transformator TR, rückgeleitet, womit dessen Sekundärspule dieses Signal noch zusätzlich zu dem Bezugssignal erhält, das ihr von der Primärspule übergeben wird. Dieses Bezugssignal wird durch einen Induktor Lp und einen geerdeten Kondensator Cg ausgefiltert, die in Reihe an einen Knotenpunkt des Kondensators C, angeschlossen sind, der nur so groß gewählt ist, daß er für eine Erdung des Bezugssignals ausreicht und keinen nachteiligen Einfluß auf das zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers 42 hat. Dieses zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers 42 wird dann nach erfolgter Ausfilterung des Bezugssignals einem Potentiometer R_1o übergeben, mit dem es folglich möglich ist, die Größe dieses zeitmultiplexierten Ausgangssignals über eine entsprechende Einstellung seines Abgriffs einzustellen,und die so eingestellte Signalgröße wird dann zwei Multiplizierschaltungen 44 und 46 zugeleitet.

Die Meßwerte der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten sind Schwankungen unterworfen,abhängig von der Temperatur der in dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe. Es ist daher ein Temperaturf liier 48 vorgesehen, der in einer

130020/0085

Anordnung vorzugsweise nahe des Gefäßes 1o ein Ausgangssignal liefert, das folglich in Beziehung steht mit einem mittleren Meßwert der Temperatur der Materialprobe. Dieses Ausgangssignal des Temperaturfühlers 48 wird durch einen Verstärker 5o verstärkt und mittels zweier Potentiometer 52 und 53 auf Werte eingestellt, die erste und zweite Temperatur-Korrektursignale ergeben, die an entsprechende Steuereingänge der beiden Multiplizierschaltungen 44 und 46 angeliefert werden. Vorzugsweise umfaßt jede dieser beiden Multiplizierschaltungen 44 und 46 eine Vierquadrant-Multiplizierschaltung einschließlich eines Transkonduktanz-Funktionsverstärkers, der den Wert jedes Quadranten des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers 42 mit dem entsprechenden Temperatur-Korrektursignal multipliziert, womit ein Ausgangssignal erhalten wird, das mithin hinsichtlich aller Temperaturschwankungen der Materialprobe ausgeglichen ist. Diese Temperaturkorrektur kann dabei für die Meßwerte der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten unterschiedlich sein und wird also durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 5o und auch durch die Einstellung der beiden Potentiometer 52 und 53 bestimmt.

Der Meßwert des dielektrischen Koeffizienten unterliegt weiteren Schwankungen in Abhängigkeit von der Massedichte der in dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe. Es ist daher weiterhin ein Gewichtsfühler 54 vorzugsweise in der Ausbildung einer Lastzelle vorhanden, die ein in Beziehung zu dem Gewicht der Materialprobe stehendes Ausgangssignal liefert. Da das Gefäß

T 20020/0096

1o ein konstantes FüHvolumen aufweist, ist dieses Ausgangssignal folglich auch zu der Massedichte der Materialprobe in Beziehung gesetzt. Dieses Ausgangssignal wird dann mittels eines Verstärkers 56 verstärkt und mittels eines Potentiometers 58 auf eine Größe eingestellt, die ein entsprechendes Korrektursignal ergibt, das einem Steuereingang einer weiteren Multiplizierschaltung 6o angeliefert wird. Die Multiplizierschaltung 6o erhält über einen anderen Eingang das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 46 und umfaßt ebenfalls vorzugsweise eine Vierquadrant-Multiplizierschaltung mit einem Transkonduktanz-Funktionsverstärker, der den Wert jedes Quadranten des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers mit diesem Korrektursignal der Massedichte multipliziert. Das Ausmaß der für die Massedichte vorgesehenen Korrektur ist mithin bestimmt durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 56 und die Einstellung des Potentiometers 58.

Der Ausgang der Multiplizierschaltung 44 ist mit den Eingängen zweier Probe- und Haltekreise 62 und 64 verbunden, und gleichartig ist der Ausgang der Multiplizierschaltung 6o mit den Eingängen zweier weiterer Probe- und Haltekreise 66 und 68 verbunden. Jeder dieser Probe- und Haltekreise 62,64,66 und 68 ist außerdem für eine Anlieferung der Ausgangssignale des Zählers 36 eingerichtet, wobei zum Beispiel der eine Probe- und Haltekreis 62 an den einen Ausgang 36A des Zählers 36 angeschlossen ist, an dem die +(1/R)-Komponente des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers 42 erhalten wird. Die drei anderen Probe- und Haltekreise 64,66 und 68 sind

130 υ 20/0086

daher an die drei anderen Ausgänge 36A des Zählers 36 angeschlossen, an denen die anderen Komponenten des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers erhalten werden, also die Komponenten mit den Phasen -(1/R), +(JaC) und -(^coC). Die Ausgänge der beiden Probe- und Haltekreise 62 und 64 sind an einen nichtumkehrenden Eingang und an einen umkehrenden Eingang eines Punktionsverstärkers 7o angeschlossen, und in entsprechender Weise sind die Ausgänge der beiden Probe- und Haltekreise 66 und 68 an einen nichtumkehrenden Eingang und an einen umkehrenden Eingang eines weiteren Funktionsverstärkers 72 angeschlossen, Mithin wird an dem Ausgang des Punktionsverstärkers 7o ein Signal erhalten, das proportional zu der absoluten Differenz zwischen den beiden Komponenten +(1/R) und -(1/R) des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers ist, die in den Probe- und Haltekreisen 62 und 64 gespeichert werden. Das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 7o ist mithin proportional zu der Leitfähigkeit (1/R) der gemessenen elektrischen Admittanz. Gleichartig wird durch den Funktionsverstärker 72 eine Differenzbildung unter den Komponenten +(JoC) und -(j^tJC) des zeitmultiplex!erten Ausgangssignals des Mischers vorgenommen, die in den Probe- und Haltekreisen 66 und 68 gespeichert werden, womit das Ausgangssignal dieses Funktionsverstärkers proportional ist zu dem dielektrischen Koeffizienten (JgC) der gemessenen elektrischen Admittanz.

Zur Eichung der vorbeschriebenen Meßvorrichtung wird zunächst die Brückenschaltung 16 abgeglichen, solange noch keine Materialprobe in dem Gehäuse 1o aufgenommen ist. Es wird dann

130020/0086

ein in der Zeichnung nicht näher gezeigtes Prüfgehäuse über eine Schalteinrichtung und eine Anzahl Impedanzen bekannter Größe und bekannten Typs zwischen die Aktivelektrode 12 und die geerdete Elektrode 14 des Gehäuses 1o geschaltet, so daß es anschließend möglich ist, durch eine wiederholte Betätigung der Schalteinrichtung die einzelnen Impedanzen aufeinanderfolgend zum Anschluß an das Gehäuse 1o zu bringen. Da trotz der verschiedenen Vorkehrungen Phasenverschiebungen in der Meßvorrichtung auftreten können, ist das Prüfgehäuse auch noch mit einer reinen Widerstandsimpedanz und mit einer reinen Blindimpedanz versehen, die aufeinanderfolgend an das Gehäuse 1o angeschlossen werden, womit die Phase des Prüfsignals mittels des Phasenverschiebungskreises 2o um den Betrag Δ0 so eingestellt werden kann, daß das Ausgangssignal der Brückenschaltung, das an den Eingang 42C des Mischers 42 angeliefert wird, aufeinanderfolgend in Phase und um 9o° außer Phase mit der ersten Phasenposition des Bezugssignals steht, das an den Eingang 42A des Mischers 42 angeliefert wird. Ist diese Einstellung der Phase erfolgt, dann wird vorzugsweise unter Verwendung des Potentiometers R₁ _Q eine solche Einstellung auch der Amplitude vorgenommen, daß das für die Leitfähigkeit maßgebliche Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 7o proportional zu der Leitfähigkeit einer der Impedanzen des Prüfgehäuses ist und weiterhin auch das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 72 eine entsprechende Proportionalität zu dem bekannten dielektrischen Koeffizienten dieser einen Impedanz hat. Mittels der Potentiometer 52,53 und 58 kann schließlich auch noch eine Eichung der Korrektursignale für die Temperatur und die Massedichte vorgenommen wfrd^ _{Q / q q}

23-

Die wesentlichsten Merkmale der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung können abschließend nochmals wie folgt zusammengefaßt werden. Es wird einmal durch einen Schwingkreis ein Ausgangssignal der Frequenz f bereitgestellt, dessen Phaee im wesentlichen um 45° verschoben wird, um ein Prüfsignal zu erhalten, das mittels eines ersten Abschirmkabels an eine Brükkensehaltung angeliefert wird, die nahe eines zur Aufnahme einer Materialprobe und einer Aktivelektrode ausgebildeten Gehäuses angeordnet ist. Die Brückenschaltung liefert in Abhängigkeit von dem Prüfsignal ein Ausgangssignal einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz und einer Phase relativ zu derjenigen des Prüfsignals sowie einer Amplitude, die in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der jeweiligen Materialprobe, die in dem Gehäuse aufgenommen ist. Das Ausgangssignal des Schwingkreises wird andererseits auch einem Phasenverschiebungskreis zugeleitet, der vier verschiedene Signale liefert, die mit dem Prüfsignal in Phase und um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase stehen. Diese vier Signale werden in einer vorbestimmten Folge und bei einer Frequenz f_Q wesentlich größer als f^, an den Ausgang einer Schaltungseinrichtung weitergeliefert, um so ein Bezugssignal zu erhalten, das mittels eines zweiten Abschirmkabels einem ersten Eingang eines mit einem doppelten Abgleich versehenen Mischers zugeleitet wird, der ebenfalls nahe dem die Materialprobe aufnehmenden Gehäuse bzw. nahe der Brückenschaltung angeordnet ist, deren Ausgangssignal einem zweiten Eingang dieses Mischers angeliefert wird. Der Mischer liefert ein zeitmultiplexiertes Ausgangssignal, das vier aufeinanderfolgende Gleichstrom-Werte

1 30020/0086

besitzt, die proportional zu den positiven und negativen Werten der Konduktanz- und der Suszeptanz-Komponenten des Ausgangssignals der Bruckenschaltung sind. Das Ausgangssignal des Mischers ist über das zweite Abschirmkabel sowie Korrekturkreise für die Temperatur und die Massedichte der Materialprobe auch an vier Probe- und Haltekreise angeschlossen, die an den Ausgängen zweier Funktionsverstärker durch Differenzbildung gebildete Meßwerte für die Leitfähigkeit und den dielektrischen Koeffizienten der gemessenen elektrischen Impedanz der Materialprobe ergeben.

130020/008S

Claims

Patentanwalt dipl.-ing.gerd commentz 7 STUTTGART I KLIPPENBCKSTRASSE* TELEFON (0711) 4«$Ö44 25. Oktober 1979 B 2902 P EUR-CONTROL, KÄLLE AB, SÄFFLE (SCHWEDEN) Patentansprüche

1.^Vorrichtung für ein getrenntes Messen der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten von insbesondere teilchenförmigen Materialien, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

b) eine auf dieses Prüfsignal ansprechende zweite Einrichtung zur Lieferung eines AusgangssignaIs einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei die auf das Prüfsignal bezogene Phase und die Amplitude dieses Ausgangssignals in Beziehung stehen zu dem Meßwert für die elektrische Admittanz einer Materialprobe;

30020/0086

^MMFRZBANK STUTTuAHr St.T>uoi7 r »STSIitBCKAMT STUTTÜABT NR 1S7»O TELBPONISCHB AUSKÜNPTB SIND UNVBiBlNDLICH

ORIGINAL INSPECTED

c) eine dritte Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei diese dritte Einrichtung für die Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei einer vorbestimmten Frequenz f^ eingerichtet ist, bei f wesentlich größer als fo£ , so daß das Bezugssignal aufeinanderfolgend in Phase und im wes
zu dem Prüfsignal steht;

gend in Phase und im wesentlichen um 9o° außer Phase

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis zur Lieferung eines Ausgangssignals einer vorbestimmten Frequenz vorgesehen ist, auf das die erste und die dritte Einrichtung für die Lieferung des Prüfsignals und des Bezugssignals ansprechen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schwingkreises auf die Frequenz f eingestellt ist und die erste und die dritte Einrichtung jeweils ein in einer bestimmten Phase zu diesem Ausgangssignal f stehendes Prüfsignal bzw. ein erstes, mit dem Prüfsignal im wesentlichen gleiches Sig-

130020/0088

29A3 1 98

nal liefern, wobei die dritte Einrichtung auch noch ein von dem Ausgangssignal des Schwingkreises abhängiges zweites Signal liefert, dessen Phase im wesentlichen um 9o° verschoben ist zu derjenigen ihres ersten Signals, und wobei noch eine Schalteinrichtung mit zwei Eingängen und einem Ausgang vorgesehen ist, an deren zwei Eingänge die beiden Signale der dritten Einrichtung angeliefert werden und die in zwei bei der Frequenz f_o^ aufeinanderfolgend bewirkten Schaltzustanden für eine jeweilige Durchschaltung ihrer beiden Eingänge mit dem Ausgang zur Lieferung des Bezugssignals betriebsfähig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung für die bei der frequenz fo^ bewirkte aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase des Bezugssignals in bezug auf die Phase des Prüfsignals eingerichtet ist, so daß das Bezugssignal bezüglich des Prüfsignals im wesentlichen in Phase und um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase steht, wobei die Amplitude des Ausgangssignals der vierten Einrichtung aufeinanderfolgend einen zu einer Konduktanz-Komponente und einen zu einer Suszeptanz-Komponente der gemessenen elektrischen Admittanz proprotionalen positiven Wert sowie einen zu der Konduktanz-Komponente und zu der Suszeptanz-Komponente proportionalen negativen Wert aufweist.

130020/0086

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis zur Lieferung eines Ausgangssignals einer vorbestimmten Frequenz vorgesehen ist, auf das die erste und die dritte Einrichtung für die Lieferung des Prüfsignals und des Bezugssignals ansprechen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schwingkreises auf die Frequenz f_Q eingestellt ist und die erste und die dritte Einrichtung jeweils ein in einer bestimmten Phase zu diesem Ausgangssignal f stehendes Prüfsignal bzw. ein erstes, mit dem Prüfsignal im wesentlichen gleiches Signal liefern, wobei die dritte Einrichtung auch noch ein von dem Ausgangssignal des Schwingkreises abhängiges viertes Signal liefert, dessen Phase im wesentlichen um 27o° verschoben ist zu derjenigen ihres ersten Signals, und wobei noch Inverter zur Umkehrung des ersten und des vierten Signals in ein drittes und in ein zweites Signal, deren Phasen im wesentlichen um 18o° bzw. 9o° verschoben sind zu denjenigen des ersten Signals, sowie eine Schalteinrichtung mit vier Eingängen und einem Ausgang vorgesehen sind, an deren vier Eingänge die vier Signale aufeinanderfolgend angeliefert werden für eine bei der Frequenz f^ bewirkte Durchschaltung in vorbestimmter Reihenfolge jedes Eingangs zu dem einen Ausgang zur Lieferung des Bezugssignals.

130:20/0086

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet _t daß eine mit der dritten Einrichtung synchron arbeitende fünfte Einrichtung für die aufeinanderfolgende Speicherung der positiven und negativen Werte der Konduktanz-Komponente und der Suszeptanz-Komponente sowie eine sechste Einrichtung vorgesehen sind zur Differenzbildung dieser gespeicherten Werte für eine Lieferung eines zu der Leitfähigkeit und eines zu dem dielektrischen Koeffizienten proportionalen ersten und zweiten Signals.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daß eine auf das Ausgangssignal der dritten Einrichtung ansprechende fünfte Einrichtung vorgesehen ist zur Lieferung eines zu der Leitfähigkeit und eines zu dem dielektrischen Koeffizienten proportionalen ersten und zweiten Signals.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung einen mit einem doppelten Ausgleich versehenen Mischer umfaßt.

1o. Vorrichtung zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

130020/0086

b) eine zweite Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei diese zweite Einrichtung für die aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei der Frequenz f^ eingerichtet ist, bei f_Q wesentlich größer als fo£ , so daß das Bezugssignal bezüglich des Prüfsignals aufeinanderfolgend im wesentlichen in Phase und um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase steht;

c) eine in der Nähe einer Materialprobe angeordnete Elektrode;

f) einen mittels einer fünften Einrichtung an dem einen von zwei Eingängen mit dem Ausgang der Brükkenschaltung verbundenen Mischer;

130'i20/008S

" ⁷ ' 29Λ3198

g) eine sechste Einrichtung, mittels der das Bezugssignal an den zweiten Eingang des Mischers angeliefert wird, womit an einem Ausgang des Mischers ein zeitmultiplexiertes Ausgangssignal erhalten wird, das aufeinanderfolgend vier unterschiedliche Gleichstromwerte aufweist, die proprotional sind zu einer positiven Konduktanz-Komponente, einer positiven Suszeptanz-Komponente, einer negativen Konduktanz-Komponente und einer negativen Suszeptanz-Komponente des Ausgangssignals der Brückenschaltung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung für die vier unterschiedlichen Gleichstromwerte sowie weiter eine Einrichtung vorgesehen ist, die zur Bildung einer absoluten Differenz zwischen den beiden Konduktanz-Komponenten und zur Bildung einer weiteren absoluten Differenz zwischen den beiden Suszeptanz-Komponenten ausgebildet ist und Ausgangssignale liefert, die proportional zu der Leitfähigkeit und dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Temperatur der Materialprobe abhängige Ausgleicheinrichtung zur Veränderung der vier unterschiedlichen Gleichstromwerte vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1o oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Massedichte der Materialprobe

130020/0086

abhängige Ausgleicheinrichtung zur Veränderung der vier unterschiedlichen Gleichstromwerte vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte und die sechste Einrichtung ein erstes und ein zweites Abschirmkabel im wesentlichen gleicher Längen und im wesentlichen übereinstimmender Impedanzen umfassen, wobei die beiden Kabelenden des ersten Abschirekabels mit der ersten Einrichtung und dem ersten Eingang der Brükkenschaltung und die beiden Kabelenden des zweiten Abschirmkabels mit dem Ausgang einer Schalteinrichtung und dem einen Eingang des Mischers verbunden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine siebente Einrichtung vorgesehen ist, über die das eine Kabelende des zweiten Abschirmkabels mit dem einen Eingang und mit dem Ausgang des Mischers verbunden ist zur Ermöglichung einer Weiterleitung sowohl des Ausgangssignals des Mischers als auch des Bezugssignals über das zweite Abschirmkabel.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die siebente Einrichtung einen zwischen das Kabelende des zweiten Abschirmkabels und den einen Eingang des Mischers geschalteten ersten Filterkreis zur Weiterleitung nur des Bezugssignals und einen zwischen den Ausgang des Mischers und dieses Kabelende des zweiten Abschirmkabels geschalteten zweiten Filterkreis zur Weiterleitung nur des Ausgangssignals des Mischers umfaßt.

1 30020/008S

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet. daß das der Schalteinrichtung zugeordnete Kabelende des zweiten Abschirmkabels mit einer achten Einrichtung verbunden ist, die das Ausgangssignal des Mischers von dem Bezugssignal trennt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung einen in Reihe mit dem Emitter eines ersten Transistors liegenden ersten Widerstand und einen in Reihe mit dem Emitter eines zweiten Transistors liegenden zweiten Widerstand umfaßt, die beide über einen einstellbaren dritten Widerstand miteinander verbunden sind und deren jeweiliger Knotenpunkt im Anschluß mit dem Emitter des zugeordneten Transistors mit einer einstellbaren Impedanz bzw. mit dem zweiten Eingang der Brückenschaltung verbunden ist, und daß die Kollektoren der beiden Transistoren an die beiden Seiten der in zwei im wesentlichen symmetrische und in Reihe liegende Abschnitte unterteilten Primärspule eines Transformators angeschlossen sind, dessen Sekundärspule mit dem Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, an deren ersten Eingang die Basen der beiden Transistoren gemeinsam angeschlossen sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung eine einstellbare Impedanz umfaßt, mit der erste und zweite Zweige gleichen Typs des Schaltungskreises verbunden sind, wobei der zweite Eingang der

130020/0085

Brückenschaltung mit dem zweiten Zweig und der erste Eingang der Brückenschaltung mit den beiden Zweigen über einen Isolationskreis verbunden ist, der bezüglich des ersten Eingangs der Brückenschaltung eine relativ hohe Impedanz und bezüglich der beiden Zweige eine relativ niedrige Impedanz darbietet, und wobei die beiden Zweige Ströme leiten, die proportional zu der Admittanz der einstellbaren Impedanz und zu der Ad Bittanz der Materialprobe sind und in den beiden Zweigen subtraktiv kombiniert werden zur Bildung des Ausgangssignals der Brückenschaltung.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolationskreis zwei Transistoren umfaßt, deren Basen gemeinsam an den ersten Eingang der Brückenschaltung angeschlossen sind und deren Emitter und Kollektor bei dem einen Transistor des einen Zweiges mit der einstellbaren Impedanz und bei dem anderen Transistor des anderen Zweiges mit dem zweiten Eingang der Brückenschaltung verbunden sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lieferquelle für ein WechselstressignaX einer Frequenz f vorgesehen ist und die erste Einrichtung einen ersten Phasenverschiebungskreis zur Verschiebung der Phase dieses Wechselstromsignals in einer ersten Richtung um im wesentlichen 45° zur Lieferung des Prüfsignals umfaßt, und daß für die zweite Einrichtung ein

130 η 20/0086

erster und ein zweiter Phasenverschiebungskreis vorgesehen sind zum Verschieben der Phase des Wechselstromsignals um im wesentlichen 45° in der ersten Richtung zur Lieferung eines ersten Signals und zur Verschiebung des Wechselstromsignals ebenfalls um 45° in einer zweiten, dazu entgegengesetzten Richtung zur Lieferung eines zweiten Signals, aus denen mittels Invertern dritte und vierte Signale erhalten werden, die gemeinsam mit den ersten und zweiten Signalen an die vier entsprechenden Eingänge einer Schalteinrichtung angeliefert werden, durch welche die vier Signale in einer vorbestimmten Folge und bei der Frequenz f^ als Bezugssignal über einen Ausgang der Schalteinrichtung abgegeben werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daB der Mischer als ein Mischer mit doppeltem Abgleich ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz
als die Frequenz

daß die Frequenz f um den Faktor 1.ooo größer ist

1 30020/0088