DE4139356A1

DE4139356A1 - Platten-messkondensator

Info

Publication number: DE4139356A1
Application number: DE19914139356
Authority: DE
Inventors: Armin Dr Brather
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-11-29
Filing date: 1991-11-29
Publication date: 1993-06-03

Description

Die Erfindung betrifft einen Platten-Meßkondensator zur Messung elektrischer und dielektrischer Kenngrößen.

Der Bedarf an sicheren und einfachen Bestimmungsmethoden des dielektrischen Verhaltens elektrisch nicht leitender Werkstoffe bis in den Hochfrequenzbe reich ist sehr groß. Solche Messungen werden sowohl für den Einsatz und für die Verarbeitung gebraucht als auch für die Werkstoff- und Werkstückanalyse. Dabei kommt es vielfach darauf an, unter genau definierten Umgebungsbedin gungen zu messen. Insbesondere interessieren die Probentemperatur, die in einem großen Bereich wichtig sein kann, und häufig auch der Druck, mit dem das Material belastet wird. Beide Parameter müssen bei einer guten Meßappa ratur gut definiert und schnell einstellbar sein, ohne daß die Elektrodenab stände und deren Messung beeinflußt werden und ohne Verfälschung der eigentlichen dielektrischen Messung. Weiterhin kann die Forderung auftreten, daß sich Vakuum oder erhöhter Gasdruck oder definierte Gaszusammen setzungen einstellen lassen.

Die Bedeutung solcher Messungen soll durch ein paar Beispiele belegt werden:

In der Fügetechnik werden meist Wechselspannungen mit der Industriefrequenz von 27,12 MHz dazu verwendet, um Folien zu schweißen oder Reaktionskleb stoffe auszuhärten. Um dabei die Maschinen so steuern zu können, daß gleich bleibend auf die genau passende Temperatur erwärmt wird, muß das dielektri sche Verlustverhalten der Materialien gut definiert sein und überwacht wer den. Für die Anlagenplanung selbst braucht man einschlägige Kenndaten.

Die dielektrische Erwärmung dickwandiger Halbzeuge und Formen aus Polymer werkstoffen, von Präpolymerisaten oder Vergußmassen zur thermoplastischen Formgebung, Aushärtung, Vulkanisation, Vernetzung oder zur Aufschäumung bietet den großen Vorteil gleichmäßiger und meist schneller Durchwärmung, die wegen der äußerst schlechten Wärmeleitung solcher Materialien sonst nicht möglich wäre. Wiederum allerdings muß das dielektrische Verlustverhalten aus reichend hoch sein oder durch Zusätze hoch genug eingestellt werden. Ohne entsprechende Kenndaten sind dielektrische Erwärmungsverfahren nicht sicher beherrschbar.

Daß andererseits elektrische Isolationen möglichst verlustfrei sein sollten, ist selbstverständlich. Bei der Planung hochintegrierter Schaltungen müssen die dielektrischen Verluste der Isoliermaterialien zur Vermeidung von Wärmestaus mitberücksichtigt werden. Häufiger aber geht es darum, Signaldämpfungen mög lichst gering zu halten. Besonders wichtig ist die relative Dielektrizitätszahl für die Nachrichtenübertragung wegen des Einflusses auf Ausbreitungsge schwindigkeit und Wellenwiderstand. Temperaturbedingte und frequenzabhängige Änderungen würden stören und müssen kontrolliert werden können.

Die Werkstoffanalyse über das dielektrische Verhalten ist trotz der Vielzahl von Möglichkeiten wenig entwickelt. Das liegt vermutlich auch an der Schwie rigkeit, die Messung sicher zu beherrschen. Je nach Werkstoffsystem wirken sich Lunker, Feuchtigkeits- und Füllstoffgehalt auf die dielektrischen Signale aus, wobei über typische Frequenzabhängigkeiten eine Trennung der verschie denen Einflüsse möglich sein könnte. Besonders aufschlußreich sind die Kenn werte bei Frequenzen im MHz- bis GHz-Bereich, wo die Messungen schwierig und nicht immer leicht beherrschbar sind.

Alle nach dem allgemein bekannten Stand der Technik vorhandenen Elektro denanordnungen bei Meßkondensatoren sind nachteilig, wie nachstehend ausge führt wird:

Die optimale Elektrodenanordnung, um Einstreustörungen, Streuverluste und Zuleitungsinduktionen möglichst klein zu halten, sind koaxiale, zylinderförmige Elektroden mit dem zu vermessenden Dielektrikum als Isolation dazwischen. Allerdings ist die inhomogene Feldbelastung der Probe für die Messung ungün stiger und was den Einfluß der mit steigenden Frequenzen immer kürzer wer denden Wellenlängen und die Probleme der Wellenreflexion an den Rändern betrifft, so werden sie bereits bei niedrigeren Frequenzen spürbar als bei einer Plattenanordnung. Aufwendige und fehlerträchtige Korrekturen und Zusatzmessungen werden nötig.

Zudem sind dafür nur Proben mit der Form gut passender Hohlzylinder ver wendbar, und solche Hohlzylinder sind nur mit großem Aufwand oder bei man chen Probenmaterialien gar nicht machbar. Eine Reihe weiterer Probleme ergäbe sich, wenn die Meßtemperatur stark von der Raumtemperatur abweichen soll und ein definierter Elektrodenandruck nötig wird, weil beispielsweise die meist groben Unterschiede im thermischen Ausdehnungsverhalten von Elektro den und Probe Hohlräume zwischen Elektroden- und Probenoberfläche unver meidlich machen. Hohlräume aber beeinflussen das dielektrische Verhalten in hohem Male. Besonders aber entfällt die Möglichkeit, mechanische Spannungen zu überlagern oder im Falle geschäumten Materials bei unterschiedlich kompri mierten Zuständen zu messen.

Die einfache Plattenform für Meßkondensatoren hat diese Nachteile nicht. Plattenabstand und Plattenandruck lassen sich unabhängig von der Temperatur einstellen. Probenherstellung und das Einlegen in die Meßanordnung sind ein fach. Die Nachteile sind aber auch hier gravierend:

- Um einen definierten Abstand zwischen den möglichst glatten und ebenen Elektrodenoberflächen zu gewährleisten, ist eine sehr steife kippfreie Spindelführung notwendig, die wegen der erforderlichen Genauigkeit nur aus Metallen gefertigt werden kann, die aber elektrisch leitend sind. Da zumindest eine Elektrode gegen die Aufhängung so vollkommen isoliert sein muß, daß auch keine verfälschenden Kapazitäten zur Halterung ent stehen, ergibt sich ein kaum zu lösendes Konstruktionsproblem.
- Idealerweise sollte die Temperaturführung der meist wenig temperaturleit fähigen Proben über die Elektroden erfolgen, die dazu genau thermostati sierbar und deshalb elektrisch heizbar sein sollten. Da die Heizleiter in gutem thermischen Kontakt zu den Elektroden stehen müssen, ist wiederum eine kapazitive Ankopplung unvermeidbar.
- Zwei gegenpolige Elektrodenplatten stellen nach außen einen elektrischen Dipol dar, dessen Fernfeld quadratisch mit dem Abstand und damit ver hältnismäßig langsam abklingt. Ist das Feld hochfrequent, entstehen Abstrahlungsverluste. Umgekehrt können fremde elektromagnetische Wellen, deren Frequenz der Meßfrequenz ähnlich ist, an den Meßkreis ankoppeln und die Messung verfälschen. Die bei Brücken- und Transientenstrommes sungen mögliche Abhilfe durch einen Schutzring ist bei der Resonanzkreis methode nicht möglich. Außerdem ist es äußerst aufwendig, den Schutzring elektrisch perfekt von der Meßelektrode zu trennen, gleichzeitig aber die Thermostatisierung für beide so auszulegen, daß sie immer gleiche Tempe ratur haben. Zusätzlich müssen ihre Oberflächen auch bei starkem und ungleichmäßigen Gegendruck der Probe perfekt in einer Ebene liegen. Ein Schutzring ist deshalb nicht brauchbar.
- Da bei hochfrequenten Wechselfeldern die Wellenwiderstände innerhalb eines Meßkondensators bereits eine Rolle spielen und nur bei einigen besonderen Anordnungen bis zu einem gewissen Grade korrigiert werden können, sollen die Stromwege vom Abgriff bis zu allen Bereichen des Meß kondensators möglichst kurz sein. Bei einem runden Plattenkondensator möchte man deshalb den Abgriff jeweils in die Mitte der Elektrodenrück seite legen. Dann aber sind die Zuleitungen in einem Teilbereich Einzellei tungen, die sehr hohe Induktionen aufweisen. Dadurch kann die Obergrenze der noch meßbaren Frequenzen soweit abgesenkt werden, daß die Brauch barkeit der Apparatur fraglich werden könnte.

Grundsätzlich treten bei der Hochfrequenzmessung besondere Probleme auf:

- Die induktiven Widerstände der Zuleitungen steigen mit der Frequenz stark an und können nicht unberücksichtigt bleiben. Die wegen des Skineffekts relativ hohen ohmschen Widerstände können als Eigenverlust der Meßan ordnung erheblich stören. Da Bewegungen und Deformationen der Leiter, beispielsweise bei der Elektrodenabstandsänderung, und Veränderungen der Leiteroberflächen, etwa durch Korrosion, die Stromwege ändern, kann sich auch die Zuleitungsinduktion so stark ändern, daß die Berücksichtigung für die Berechnung der Probenkennwerte unsicher oder unmöglich wird.
- Die Gefahr der Meßwertverfälschung durch kapazitive Ankopplung zu den Abschirmungen steigt mit der Meßfrequenz. Da elektrische Abschirmungen mit den stromführenden Leitern eine kondensatorähnliche Anordnung bil den, verursachen hochfrequente Wechselfelder zwischen beiden parasitäre Ströme, die wegen zusätzlich wirksamer induktiver Widerstände kaum defi nierbare Frequenzabhängigkeiten zeigen.
- Die Stromverbindungen zu den Meßelektroden stellen eine Antennenanord nung dar, die sowohl zu Abstrahlungsverlusten führt als auch Störungen durch Einstreuungen auslösen kann.
- Mit steigender Frequenz werden die Wellenlängen kleiner, was zu schwierig beherrschbarem Übertragerverhalten der Zuleitungen führt. Vor allem aber werden kleine Abmessungen der Meßelektroden erforderlich. Die Kapazität der Meßanordnung mit der Probe kann gegen die tatsächlich gemessene verschwindend klein werden oder die Kapazitäten an den Meßabgriffen überschreiten den meßbaren oder beherrschbaren Bereich.

Aus dieser Gesamtproblematik heraus ist die Aufgabe der Erfindung erwachsen:

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Apparatur für dielektrische Messungen an Materialien unterschiedlicher Konsistenz mit leicht herstellbaren Proben bei thermostatisierbaren Elektrodenflächen und einstellbarer Anpreßkraft zu schaffen, die leicht bedienbar ist und auch im Hochfrequenzbereich bis 500 MHz störungsfrei und ohne Verfälschung arbeitet. Damit sollen auch Messungen bei Frequenzen möglich werden, die bisher mit der Resonanzkreis methode nicht mehr meßbar waren, die aber für die Resonatormethode noch zu niedrig sind. Besonders wichtig ist, daß mit ein und derselben Probenanord nung die je nach Frequenz für die dielektrische Messung günstigste Methode angewandt werden kann, daß also möglichst über einen einfachen BNC-Stecker eine Meßbrücke, eine Transientenstrommeßanordnung oder ein T-Stück für eine Resonanzkreismessung angeschlossen werden kann.

Der Elektrodenabstand soll unabhängig von Druck und Temperatur definiert und mit hoher Auflösung und Genauigkeit einstellbar sein. Je nach Bedarf sollen die Elektroden von zwei Seiten zugänglich sein, um lange Proben kontinuierlich hindurchführen zu können und eventuell die Anwendung zusätzlicher mechanischer Spannungen zu ermöglichen, oder aber die Messung soll in einem Gasraum möglich sein, der druck- wie vakuumfest ist und mit Gasen definierter Zusammensetzung gespült werden kann.

Die Lösung dieser komplexen Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Platten-Meßkondensator dadurch erreicht, daß er aus drei Platten besteht, wobei zwei ebene Außenelektroden auf gleichem Potential liegen und sich die Gegenelektrode dazwischen befindet.

Vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen ent nehmbar.

Die Erfindung erlaubt, die jeweiligen Vorteile des Plattenkondensators und die der Koaxialanordnung zu vereinen und die jeweiligen Nachteile zu vermeiden. Es werden statt zwei Elektrodenplatten einfach drei verwendet, wobei die bei den äußeren gleiches Potential haben müssen und die dazwischen liegende mit dem Gegenpotential beaufschlagt wird. Statt einer Probenplatte werden die zwei Hälften einer nur wenig größeren Platte gleichzeitig vermessen. Die bei den Deckelektroden stellen dann bei korrekter Ausführung eine perfekte Abschirmung der zur Messung angelegten Wechselfelder dar.

Nimmt man für die Elektroden keine ganzen Kreisflächen, sondern spart einen kleineren Sektor aus, kann die Zuleitung zu allen drei Elektroden in gleicher günstiger Weise vom Kreiszentrum ausgehen, ohne daß Einzelleitungen entste hen. Die Zuleitungen können in ähnlich perfekter Weise wie Koaxialleitungen gegen Abstrahlung und Störungen von außen geschützt werden. Besonders aber hat die symmetrische Anordnung der Stromrückführung von den Deckelektroden gegenüber der Zuführung zur Zentralelektrode eine sehr geringe Zuleitungs induktion zur Folge, was die wichtigste Voraussetzung für die Messung zu möglichst hohen Frequenzen ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielhaft beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführung eines 3-Platten-Meßkondensators,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer kompletten Meßvorrichtung mit einem 3-Platten-Meßkondensator gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen erfindungs gemäßen Ausführung eines 3-Platten-Meßkondensators.

In Abbildung 1 ist eine Ausführung dieser 3-Elektrodenanordnung dargestellt, die zwar nur Messungen bis etwa 150 MHz erlaubt, die aber den Vorteil hat, daß die Probenform besonders einfach ist. Optimal ist eine quadratische Probenplatte von mindestens 54 mm Kantenlänge oder eine entsprechend grobe Kreisscheibe, die halbiert werden.

Die beiden Deckelektroden 1 müssen über exakt parallel und spielfrei geführte Spindeltriebe gegeneinander bewegt werden, so daß der Abstand jeder Deck elektrode zur nicht bewegten Mittelelektrode 2 gleich ist und sich in gleicher Weise ändert. Die Zuleitungen 3 bestehen aus vergoldeten Federstahlbändern, deren Dicke unter 1/10 mm sein sollte. Sie müssen sich bei den Abstandsän derungen der Elektroden elastisch verformen, so daß sich die Zuleitungs kennwerte durch sich nicht ändernde Funktionen des Elektrodenabstands fest legen lassen. Die Leitung zu den Deckelektroden stellen die Rückleitung für den Strom dar, der durch den Innenleiter zur Innenelektrode fließt. Dadurch wird die Zuleitungsinduktion so klein wie möglich gehalten. Die mit den Elek trodenabstandsänderungen verbundenen Deformationen der Zuleitungen dürfen den elastischen Bereich nicht überschreiten. Die Zuleitungscharakteristika sind dadurch als dauerhaft festgelegte Funktionen des Elektrodenabstandes be stimmbar.

Beide Bänder sind fest mit der ringförmigen Halterung 4 verbunden und elekt risch kurzgeschlossen. Die Verbindung muß einen dauerhaft widerstandsfreien Kontakt gewährleisten. An Halterung 4 wird ein BNC-Stecker aufgeschraubt. Die Mittelelektrode wird durch das Röhrchen 5 elektrisch angeschlossen. Es stellt auch die Halterung dar. Statt der Bänder 3 könnte jedoch auch ein geeignetes Geflecht aus vergoldeten elastisch deformierbaren Draht verwendet werden, das den Innenleiter 5 ganz umschließen könnte und dessen Form der Optimierung der Leitungscharakteristika angepaßt werden müßte.

Der grobe Vorteil besteht darin, daß die nötigen mechanischen Befestigungen problemlos mit der erforderlichen Steifheit ausgeführt werden können, weil auf elektrische Ankopplungen an Gehäuse und Halterungen keine Rücksicht genom men werden muß. Die beiden Deckelektroden können für eine genaue und äußerst schnell ansprechende Thermostatisierung direkt elektrisch beheizt wer den, beispielsweise durch hart eingelötete ummantelte Heizleiter. Dies ist ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen drei-Elektroden-Anordnung.

Abbildung 2 zeigt die Konstruktion einer konsequent ausgeführten Halterung für die beiden Deckelektroden 1. Die Druckkraft auf die Elektroden wird durch hinreichend steife Quarzrohre übertragen, deren temperaturbedingte Längenän derung ohne Bedeutung bleibt. Die Quarzrohre 2 gewährleisten perfekte elekt rische und sehr gute thermische Isolation. Sie werden spielfrei konzentrisch in einem Stahlrohr 3 geführt. Die Spannanker 4 sorgen für eine dauernd unter Druck stehende Verbindung zwischen Elektroden und Stahlrohrdeckel 5, die gegenüber den Druckkräften für den Elektrodenandruck auf die Probe unnach giebig ist. Zur Messung dieser Kräfte wird eine Druckmeßdose 6 zwischenge schaltet, die praktisch meßwegfrei ist.

Im Unterschied zu den massiv auslegbaren Deckelektroden, sollte die Mittel elektrode möglichst weniger als einen Millimeter dick sein. Wird sie etwas kleiner in den Flächen bemessen als die Deckelektroden, so daß der Rand etwas nach innen zurückgesetzt ist, führt dies zur weiteren Verringerung von Streufeldern. Diese Reststreufelder werden dann bei Proben, die etwas über den Elektrodenrand hinausragen, weitgehend die gleichen sein wie bei der Messung ohne Dielektrikum bei gleichem Elektrodenabstand. Die Absolutbestim mung des dielektrischen Faktors εr ist damit auch ohne Schutzringanordnung möglich. Voraussetzung dafür ist, daß bei der Konstruktion auf eine symmet rische, reproduzierbare Elektrodenverstellung geachtet wird und eine genaue Abstandsmessung miteingebaut wird, die ja auch bei der Schutzringanordnung sein muß. Die Zuführung, die gleichzeitig Halterung für die Mittelelektrode ist, wird optimalerweise reversibel elastisch verformbar, aber mit hinreichend starken Rückstellkräften in eine justierbare Mittellage ausgeführt. Elektroden und Zuleitungen müssen wie üblich vergoldet werden.

Da wie bereits dargelegt bei sehr hohen Frequenzen die Wellenlängen nur noch einige Vielfache länger sind als die größten Stromwege im Meßkondensator, ist die Feldbelastung des Dielektrikums nicht mehr überall phasengleich. Dies führt zu einer Abweichung der wirksamen Kapazität, die eine genaue Bestim mung der dielektrischen Kennwerte ohne geeignete Korrektur unmöglich macht. Die erfindungsgemäße drei-Elektroden-Anordnung lädt gegenüber einem einfa chen Rundplattenkondensator bei gleicher Niederfrequenzkapazität eine weitere Verkürzung des Stromweges zu, und zwar etwa um den Faktor 1,4. Dies bedeu tet, daß die obere Grenze der noch problemlos meßbaren Frequenzen auf das fast doppelte ansteigt. Damit lädt sich die Lücke zwischen den mit der Reso nanzkreismethode nicht mehr meßbaren Frequenzen und den mit der Resona tormethode noch nicht meßbaren Frequenzen, die bisher einer Messung kaum zugänglich war, schließen.

Dies gilt insbesondere, wenn die in Abbildung 3 dargestellte Elektrodenform gewählt wird. Die durch die sehr hohen Frequenzen hervorgerufene Erhöhung gegenüber der Gleichspannungskapazität wurde für diese Form theoretisch berechnet. Die Formel dafür soll in nächster Zeit veröffentlicht werden. Die Erhöhung läßt sich anhand der Formel minimieren. Sie steigt quadratisch mit der Frequenz. Bei der in Abbildung 3 skizzierten Anordnung erreicht diese hochfrequenzbedingte Zunahme die 1%-Marke zwischen 150 und 200 MHz abhängig vom Wert des dielektrischen Faktors εr.

Claims

1. Platten-Meßkondensator zur Messung elektrischer und dielektrischer Kenn größen, dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei Platten besteht, wobei zwei ebene Außenelektroden auf gleichem Potential liegen und die Gegen elektrode dazwischen liegt.

2. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Zuleitung die vorteilhaften Leitungscharakteristika einer Koa xialleitung aufweist.

3. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Zuleitungen ein BNC-Stecker angebracht ist.

4. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung und Führung optimal steif ausgeführt ist, so daß der Abstand und der Druck auf die Probe definiert und unabhängig voneinander und unabhängig von der Meßtemperatur eingestellt werden können, ohne daß die elektrischen Messungen beeinflußt oder gestört werden.

5. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermostierung der Deckelektroden vorgesehen ist, so daß eine schnelle und sichere Thermostierung auch schlecht temperaturleitender Proben in optimaler Weise über die Deckelektroden ohne Störung der elektrischen Messungen möglich ist.

6. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß um die zu messende Probe herum ein abgeschlossener Gasraum angeordnet ist, dessen Gasdruck erhöht oder auf Vakuumwerte abgesenkt werden kann, ohne daß die elektrischen Messungen oder die Messung des Elektrodenab stands und -andrucks gestört werden, und in dem eine definierte Gaszu sammensetzung eingestellt werden kann.

7. Platten-Meßkondensator nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß für die zusätzliche Meßbarkeit sehr hoher Frequenzen die Platten als seg mentierte Kreisringe ausgebildet werden, so daß die frequenzbedingte Erhö hung der Kapazität der Elektrodenanordnung erst bei Annäherung an den GHz-Bereich auftritt und für eine Korrektur berechnet werden kann. Diese Erhöhung ist in erster Näherung durch den Faktor 1+(Π²/2)(4/(α²-1)ln(α)+α²-3)(Rf/C₀)²εr(1-itgδ)gegeben, wobei α das Verhältnis (r/R) aus Innenradius r und Außenradius R der Kreisringe darstellt, f die Meßfrequenz und C₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bedeuten.