DE4431001A1

DE4431001A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten

Info

Publication number: DE4431001A1
Application number: DE4431001A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Nagata
Original assignee: New Oji Paper Co Ltd
Current assignee: New Oji Paper Co Ltd
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1995-03-02
Also published as: US5532604A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mes sen einer Dielektrizitätskonstanten, speziell die Probeent nahme und die Verarbeitung von gemessenen Daten und zielt darauf ab, eine Vorrichtung zu schaffen, die wirksam ist und einfach bedient werden kann.

Stand der Technik

Wenn es in herkömmlicher Weise gewünscht wird, die Dielek trizitätskonstante eines Materials zu messen, so wurde dies bisher dadurch bewerkstelligt, indem man von einem Zähler eine Resonanzfrequenz genommen hat, die zu einer Ausgangs spitze führt, indem die Frequenz der Messung von Mikrowellen abgetastet wird, die die Übertragung durch die Probe zuge lassen hat und indem man die Dielektrizitätskonstante aus der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz und der Reso nanzfrequenz berechnet hat, die in der Leer-Periode vorhan den ist, wenn die Probe nicht gesetzt bzw. eingesetzt ist. Wenn es jedoch gewünscht wird, die Orientierung der Dielek trizitätskonstanten einer Probe durch dieses Verfahren zu messen, ist es erforderlich, die Mikrowellenfrequenz für je de einer Vielzahl von Meßstellen oder Winkeln abzutasten, um so die Spitzenfrequenzposition zu detektieren, eine Opera tion, die sehr viel Meßzeit erforderlich macht und auch Er fahrung bei der Meßoperation erforderlich macht. Darüber hinaus war eine automatische Verarbeitung zum Zwecke der Messung nicht einfach.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Messung der Dielektrizitätskonstanten zu schaffen, welches eine einfache und wirksame Messung sicherstellt, und auch ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Vorrichtung einen Hohlraum-Resonator, der in geeigneter Weise Mikrowel len von einem Ende desselben her empfangen kann und der die Intensität der Mikrowellen an dem anderen Ende detektieren kann, wobei der Resonator mit einem Schlitz ausgebildet ist, um ein Meßprobenblatt in einer solchen Weise anzuordnen, daß ein Ausbauchungs-Abschnitt von stehenden Wellen gekreuzt wird, der in dem Hohlraumresonator ausgebildet wird, wobei ferner das Probenblatt in dem Schlitz drehbar vorgesehen ist, und zwar um die Achse des Resonators, und wobei die Di elektrizitätskonstante aus der Differenz zwischen der Reso nanzfrequenz, die erhalten wird, wenn die Probe an der Meß stelle in dem Schlitz angeordnet wird, und der Resonanzfre quenz, die erhalten wird, wenn diese nicht angeordnet ist, gemessen wird. Ein Verfahren zur Messung der Dielektrizi tätskonstante nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine solche Vorrichtung und über das Hilfsmittel einer Resonanzfrequenz bei einer willkürlichen Drehwinkelstellung (Bezugswinkelstellung) der Probe, die an der Meßposition angeordnet ist, eine Resonanzfrequenz an einer anderen beliebigen Drehwinkelstellung (Meßwinkelposi tion) der Probe berechnet wird, um dadurch eine Vorrichtung anzugeben, um die Dielektrizitätskonstante bei beliebigen Winkeln zu messen.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Dielektrizitätskonstanten aus einer mechani schen Konstruktion und einer Datenverarbeitungseinrichtung zusammengesetzt, um automatisch das Verfahren durchzuführen.

Ferner enthält die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfin dung eine Anordnung zum Berechnen einer Resonanzfrequenz bei einer willkürlichen Meßwinkelposition einer Probe aus einer Resonanzfrequenz (einer ersten Frequenz) bei der Bezugswin kelposition und einer zweiten Frequenz, die eine Mikrowellen detektionsausgangsgröße eines spezifischen Verhältnisses er zeugt, das hinsichtlich des Wertes der Mikrowellendetek tionsausgangsgröße während der Resonanz in der Bezugswinkel position vorbestimmt ist, und ferner auch aus einer Mikro wellenausgangsgröße hinsichtlich der zweiten Frequenz bei der willkürlichen Meßwinkelposition der Probe; und eine An ordnung, um die zweite Frequenz gleichzumachen einer Fre quenz, die einen Wert der Mikrowellendetektionsausgangsgröße hervorruft, der 1/2 des Wertes der Mikrowellendetektionsaus gangsgröße beträgt, und zwar während der Resonanz bei der Bezugswinkelposition der Probe; eine Anordnung, die mit einer Einrichtung ausgestattet ist, um automatisch die Be zugswinkelposition der Probe durch Drehen der Probe zu setzen; eine Anordnung, die eine Einrichtung enthält, um eine Meßprobe über einen vorbestimmten Winkel jedesmal zu drehen, und eine Einrichtung, um den Wert der Mikrowellende tektionsausgangsgröße bei der zweiten Frequenz zu sampeln; und eine Anordnung mit einer Einrichtung, um die Relation zwischen dem Drehwinkel und der Dielektrizitätskonstanten einer Probe in einem zweidimensionalen Muster darzustellen.

Es sei angenommen, daß die Resonanzkurve eine Lorentz-Funk tion ist und damit durch die folgende Gleichung (1) (siehe Fig. 5 und 6) ausgedrückt wird,
wobei f_1r: Leer-Resonanzfrequenz ist,
f_2r (R): Resonanzfrequenz ist, wenn eine Probe an die Meßposition gesetzt ist, die eine Funktion der Probe-Drehwinkelposition ist, wobei R = 0 ist und die Bezugswin kelposition ist, und wobei R - β ein Zu stand ist, der durch Drehung um β aus dem Bezugswinkel heraus aufgebaut wird.
Io: Spitzenwert der Intensität der probe- übertragenen Mikrowellen ist (gemessen bei der Frequenz f_2r (0));
f: Meßfrequenz ist,
I {f(R)} die probe-übertragene Mikrowellenintensität ist, die bei dem willkürlichen Winkel (R) detektiert wurde;

I {f(R)} = Io/ [1 + ({f-f_2r(0)}/H)²] (1),

worin H = f₁-f_2r(0) (f₁ eine Frequenz ist, welche der hal ben Weite (Plusseite) von f_2r(0) entspricht).

Die Bezugskurve, wenn eine Probe um die Achse des Resonators über einen Winkel β gedreht wird, ist allgemein:

I {f(β)} = Io / [1 + ((f - f_2r(β))/H)²],

wobei die Frequenz f = f₁ gemacht ist, wobei dann gilt

I {f₁(β)} = Io / [1+ ({f₁ - f_2r(β)}/H)²] (2)

und wobei H = f₁ - f₂, (0) gemacht ist.

Aus der Formel (2) ergibt sich

[{f₁ - f_2r(β)}/H]² = [[Io = I {f_2r(β)}]/I {f_2r(β)} {f₁-f_2r(β)}/H] = [[Io - I {f₁(β)}]/I {f₁(β)}]^1/2,

worin {f₁-f_2r(β)}<0

f_2r(β) = f₁ - H [[Io - I {f₁(β)}] / I {f₁(β)}]^1/2 (3)

Durch Substitution dieses Ausdrucks in der folgenden Formel (4) ergibt sich ε′ (β).

ε′ (β) = 1 + A (C / t) {f₁ - f_2r(β)}/f_1r (4),

wobei A eine Konstante ist, welche den Querschnittsbereich des Hohlraumresonators wiedergibt, C eine Konstante ist, welche die Länge desselben wiedergibt, und t die Dicke der Probe ist.

Durch Auftragen von ε′ (β), was auf diese Weise für jeden Winkel (β) in einem polaren Koordinatensystem gefunden wor den ist, führt zu einem dielektrischen Konstante-Muster, wie es in Fig. 7 gezeigt ist.

Wenn eine Ellipse, die diesem Muster angenähert ist, durch das Verfahren der letzten Quadrate gefunden wird, kann die Richtung der molekularen Orientierung des Probenblattes ge funden werden, und zwar als die Richtung der Hauptachse der Ellipse.

Ferner kann der Wert des Brechungsindex des Probenblattes gefunden werden als (ε′)^1/2.

Wenn es gemäß dem oben angegebenen Verfahren gewünscht wird, eine Vorrichtung zu erhalten, um die Dielektrizitätskonstan te für jede Drehwinkelposition eines Probenblattes zu mes sen, durch Drehen des Probenblattes, welches senkrecht zum Resonator angeordnet ist, um die Achse des Resonators, und wenn Daten (wie beispielsweise die Resonanzfrequenz f₂, (0), die Halbwert-Breitenfrequenz f₁) auf der Resonanzkurve auf der Grundlage einer bestimmten Winkelposition im voraus er halten worden sind, kann die Resonanzfrequenz einfach da durch gefunden werden, indem man Daten bei der übertragenen Mikrowellenintensität bei der Frequenz f_1r erhält, ohne daß eine direkte Ablesung vom Zähler durchgeführt wird. Ferner kann in Verbindung mit der vorgemessenen und gespeicherten "leeren" Resonanzfrequenz zum Zeitpunkt, wenn die Probe nicht eingesetzt ist, die Dielektrizitätskonstanten an den jeweiligen Winkelpositionen wirksam und einfach erhalten werden.

Dies bedeutet, daß unter Zuhilfenahme von gemessenen Daten bei einer bestimmten Winkelstellung der Probe die Dielektri zitätskonstanten an einer Anzahl von Winkelmeßpositionen ge funden werden können, indem auf sehr einfache Weise Daten gesampelt werden und berechnet werden, so daß dadurch die Messung vereinfacht und beschleunigt wird und eine Computer steuerung hinsichtlich der Meßoperation unterstützt wird.

Zusätzlich zu der obigen Beschreibung der "Meßfrequenz", wurde in bevorzugter Weise Verwendung gemacht von dem halben Wert bzw. Breite der Frequenz f₁ relativ zu der Resonanzfre quenz bei der Bezugswinkelposition; es kann jedoch f₁ auch auf der niedrigen Frequenzseite (siehe Fig. 5) ebenso ver wendet werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Schaltschemastrukturansicht einer Vor richtung zur Messung einer Dielektrizitätskonstan ten nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform des Me chanismus der Fig. 1 in der Nähe eines Probenab schnitts;

Fig. 3 ist ein Systemdiagramm der Vorrichtung der Erfin dung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten;

Fig. 4 ist ein Beispiel eines Flußdiagramms des Betriebes der Erfindung;

Fig. 5 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebs weise der Vorrichtung bzw. des Gerätes nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Betriebs weise des Gerätes der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel eines Dielektrizitätskonstante-Musters zeigt, wel ches durch die vorliegende Erfindung erhalten wird; und

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die ein Beispiel der Ergebnisse der Messungen gemäß der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Diagrammstrukturansicht eines Gerätes zur Messung einer Dielektrizitätskonstanten nach der vorliegen den Erfindung und Fig. 2 ist eine Ansicht, die im Detail den Bereich in der Nähe eines Probehalteabschnitts zeigt.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 11 ein Meßinstrument be zeichnet, wobei ein Probenblatt S durch ein Paar von Proben halteplatten 21 festgeklemmt ist und in einen Schlitz 20 (Fig. 3) eingeschoben ist, der in der Mitte eines Mikrowel len-Hohlraumresonators 12 ausgebildet ist, und zwar in senk rechter Beziehung zu der Achse des Resonators. Der Schlitz verläuft über einem Ausbauchungsabschnitt einer stehenden Welle, die in dem Resonator gebildet wird. Ferner wird die Probe so gehalten, daß sie um die Längsachse des Resonators drehbar ist, und zwar durch drehbare Haltescheiben 22, wel che die Umfangskanten oder Ränder der Halteplatten 21 hal ten. Das Probenblatt S kann aus einem Makro-Molekular-Film, Blatt oder ähnlichem bestehen.

Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Mikrowellenoszillator, der Mikrowellen einem Ende des Resonators 12 zuführt; 14 be zeichnet einen Mikrowellendetektor, z. B. eine Mikrowellende tektor-Diode, um die Intensität eines elektrischen Feldes an dem anderen Ende in einer bestimmten Richtung, z. B. der ho rizontalen Richtung in der Figur, zu detektieren; und 15 be zeichnet einen Frequenzzähler, der die Oszillatorfrequenz des Oszillators 13 detektiert. Das Bezugszeichen 16 bezeich net einen Eingangsverarbeitungsabschnitt, der eine Verarbei tung durchführt, um die Detektionsausgangsgröße, d. h. die Intensität der durch die Probe S in dem Resonator 12 über tragenen Mikrowellen in einen Datenverarbeitungsabschnitt 17 einzuführen.

Der Datenverarbeitungsabschnitt 17 enthält einen Verstärker und einen A/D-Umsetzer und führt die Probeentnahme von Daten an voreingestellten Winkelpositionen durch.

Das Bezugszeichen 18 bezeichnet eine Anzeigevorrichtung, die als ein Monitor verwendet wird, mit einer CRT oder ähnli chem, um die Ergebnisse der Datenverarbeitung auszugeben; und 19 bezeichnet einen Drucker. Ferner bezeichnet 10 eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise ein Tastenpult, wel ches dazu verwendet wird, um die Betriebsart der Vorrichtung einzustellen und auch den Berechnungsmode einzustellen, und um Proben-Informationen einzugeben.

Das Probenblatt S, welches in Fig. 2 gezeigt ist, wird zwi schen die Proben-Halteplatten 21 eingeklemmt, die aus Kunst stoffilmen bestehen und von denen jede eine Öffnung aufweist mit einem Durchmesser, der der Diagonale des Querschnitts des Resonators 12 entspricht und welche als ein integrales Teil durch drehbare Haltescheiben 22 gehalten ist. Die dreh baren Haltescheiben 22 dienen dazu, das Probenblatt S in dem Schlitz zu halten, derart, daß es um die Achse des Resona tors 12 drehbar ist. Die drehbaren Haltescheiben 22 sind in Form einer verformbaren ringröhrenförmigen Riemenscheibe konstruiert, welche den Resonator, ohne diesen letzteren zu berühren, umgibt und in geeigneter Weise durch einen Motor 25 über einen Riemen 23 und eine kleine Riemenscheibe 24 an getrieben werden. Ein Schrittmotor wird als Motor 25 verwen det, und jedesmal, wenn er um 1° gedreht wird, erzeugt ein an diesen angeschlossener Kodierer 26 ein Winkelsignal, welches zu dem Eingabe-Verarbeitungsabschnitt 16 und dem Datenverar beitungsabschnitt 17 gesendet wird.

Fig. 3 zeigt ein Systemdiagramm der Vorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten der Erfindung, wobei die glei chen Elemente, wie sie in Fig. 1 verwendet sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.

In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 71 eine CPU; 72 be zeichnet einen Datenspeicher zum Speichern der gemessenen Daten bei jedem Schritt und von Grunddaten; 73 bezeichnet einen arithmetischen Steuerabschnitt, in welchem ein Pro gramm für die Antriebssteuerung der Vorrichtung und für ver schiedene Datenverarbeitungsoperationen gespeichert ist; und 74 bezeichnet eine Datenbusleitung.

Der Datenspeicher 72 besteht z. B. aus einem RAM und ein Ein gangspuffer 721 speichert detektierte Daten (Ausgang von dem Eingangsverarbeitungsabschnitt 16) zusammen mit Proben-Dreh winkelpositionsdaten von dem Kodierer 26 und Frequenzdaten von dem Frequenzzähler 15. Konstante und ähnliche Größen, die für eine Berechnung erforderlich sind, wie beispielswei se die Bedingungen und Zustände für den Hohlraumresonator, sind in einem Basis-Datenspeicherabschnitt 722 gespeichert. Prozeßdaten werden bei jedem Schritt in einem Prozeßdaten- Speicherabschnitt 723 gespeichert und werden an einen Aus gangspuffer 724 ausgegeben und angezeigt und/oder ausge druckt, und zwar gemäß einem Ausgabeprogramm 735.

Ein Steuerprogramm 731 führt eine Steuerung des Systems bzw. der gesamten Vorrichtung durch; ein Proben-Antriebsprogramm steuert den Antrieb des Motors 25 gemäß dem eingegebenen Meßwinkel, ein Datenverarbeitungsprogramm 1 (733) führt die Probeentnahme durch, den Speichervorgang und das Lesen von Daten durch. Ein Datenverarbeitungsprogramm 2 (734) berech net die Dielektrizitätskonstante nach den Formeln (3) und (4) und berechnet ferner den Grad oder das Ausmaß der Orien tierung und den Orientierungswinkel.

Die Meßoperation für die Dielektrizitätskonstante nach der vorliegenden Erfindung soll nun unter Hinweis auf Fig. 4 be schrieben werden.

1. Der Operationsmode der Vorrichtung wird bei dem Meßmode für die Dielektrizitätskonstante (Schritt A) gesetzt.
2. Es werden Proben-Name und die Dicke des Meßblattes ein gegeben (Blatt-Schritt B).
3. Es wird der Meßwinkel eingegeben (Schritt C).
4. Die voreingestellten Bedingungen, die eingegeben worden sind, werden angezeigt und bestätigt. Wenn die vorein gestellten Bedingungen nicht OK sind, werden sie erneut gesetzt. (Schritte D, E, F, B und C).
5. Wenn die voreingestellten Bedingungen OK sind, werden Messungen durchgeführt, wobei die Mikrowellenfrequenz variiert wird, während keine Probe eingesetzt ist, um dadurch die Frequenz herauszufinden, bei welcher der detektierte Wert der übertragenen Mikrowellen eine Spitze hat, während dabei das Meßgerät beobachtet wird und wobei dann die Ausgangsgröße aus dem Mikrowellen oszillator eingestellt wird oder die Verstärkung des Verstärkers eingestellt wird, um die Ausgangsgröße zu detektieren (Schritt G). Die Resonanzfrequenz f_1r, die abgelesen worden ist, wird gespeichert (Schritt H). Zu sätzlich ist die Vorrichtung in bevorzugter Weise so konstruiert, um automatisch ein Ablesen der Resonanz frequenz zu bewirken und ebenso die Einstellung des Spitzenwertes.
6. Die Probe S wird in die Meßposition eingeführt, wie dies in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, und die Frequenz der Mikrowellen wird geändert, um die Resonanzfrequenz f_2r zu lesen und zu speichern. Nachdem die Verstärkung und ähnliche Größen eingestellt worden sind, derart, daß der Spitzenwert der Resonanz gleich 80% des vollen Meßbereiches erreicht, wird die Frequenz eingestellt, um eine Frequenz zu suchen (bezeichnet als f_1′′), und zwar auf der Hochfrequenzseite, in solcher Weise, daß der detektierte Wert der übertragenen Mikrowelleninten sität gleich ist 1/2 des Spitzenwertes (Schritt I).
7. Es wird die Probe um eine Umdrehung bei der Frequenz f_1′′ gedreht und es werden die Werte detektiert und ge sampelt, und zwar während der Drehung für jeden Vorein stellwinkel, z. B. 1°, und werden in Einklang mit dem Winkel abgespeichert. Die Winkelposition, bei welcher sich der detektierte Wert der Mikrowellen auf einem Maximum befindet, wird gesucht und es wird dieser Win kel ausgewählt, und zwar als der kanonische Bezugswin kel, wobei dann die Drehung der Probe dort angehalten wird (Schritt J).
8. Es wird dann die Mikrowellenfrequenz bei dieser Winkel position eingestellt und es werden die Bezugswinkel-Re sonanzfrequenz f_2r (0) und der Spitzenwert Io des Mi krowellendetektionswertes abgelesen und gespeichert und ferner wird die Frequenz (die halbe Breitenwert-Fre quenz) f₁, die einen detektierten Wert von einem vorbe stimmten Verhältnis, z. B. 1/2, erzeugt, und zwar hin sichtlich des detektierten Ausgangs während der Reso nanz abgelesen und gespeichert (Schritt K). Darüber hinaus kann der Schritt J weggelassen werden, und an stelle der Frequenz f_2r, die bei dem Schritt I erhalten wird, kann als f₂ (0) verwendet werden und ferner f_1′′ als f₁. Das Programm schreitet dann zum nächsten Schritt voran.
9. Bei der Mikrowellenfrequenz f₁ wird die Probe um eine Umdrehung aus der Anfangswinkelposition heraus gedreht, wobei während dieser Drehung die detektierte Ausgangs größe I {f_2r (βi)} gesampelt wird und für jede Drehung über den Voreinstellwinkel βi gespeichert wird (wobei i = 1, 2, 3 . . .), z. B. 1° (Schritt L).
10. Es werden die Dielektrizitätskonstanten ε bei den je weiligen Winkelpositionen berechnet (Schritt M).
11. Es wird ein Dielektrizitätskonstante-Muster gemäß den Polar-Koordinaten aus dem Drehwinkel der Probe und dem entsprechenden Wert der Dielektrizitätskonstanten her gestellt. Ferner kann der Orientierungswinkel und der Orientierungsgrad auf diesem Muster berechnet werden.
Die Ergebnisse dieser Messungen werden dargestellt und können bei Bedarf ausgedruckt werden.
12. Es wird die Probe ausgetauscht und die oben angeführten Messungen werden durchgeführt unter Verwendung jeweili ger Proben.
13. Wenn der Meß-Mode in den Meßmode entsprechend dem Mi krowellenübertragungsgrad umgeschaltet wird, ist es möglich, ein herkömmliches Mikrowellenübertragungsgrad- Muster zu erhalten, und zwar durch Verwendung der de tektierten Ausgangsgröße aus dem Detektor 14.

(Beispiele)

Eine aktuelle Messungs-Probe wurde um die Achse des Resona tors gedreht und es wurde bei verschiedenen Winkeln die übertragene Mikrowellenintensität I detektiert und es wurden die Formeln (3) und (4) dazu verwendet, um die Resonanzfre quenz f_2r, die Dielektrizitätskonstante ε′ und den Bre chungsindex n zu berechnen. Die Tabelle 1 zeigt die Ergeb nisse der Messungen, die für jede 10°-Drehung einer Probe (PET-Film) vorgenommen wurden und die Tabelle 2 zeigt dies für eine andere Probe, die kreisförmig war, mit Daten gemäß einer Drehung von 360°, abgenommen bei Intervallen von 30° unter Bezugnahme auf die Ergebnisse der Tabelle 1.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Messungen von 0° bis 180° bei Intervallen von 30° unter Verwendung von 5 Proben arten unter Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung (neue Software), und zwar im Vergleich zu den Er gebnissen, die mit Hilfe eines herkömmlichen Meßverfahrens (alte Software) erhalten wurden, bei welchem eine Spitzen frequenz für jeden Winkel abgegriffen wurde.

Tabelle 3

Der Mittelwert der Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Messungen der zwei Meßdurchgänge beträgt 0,0010333, der ma ximale Unterschied liegt bei 0,031 und der minimale Unter schied beträgt -0,022, so daß diese sehr gut koinzidieren.

Die Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung, die durch Auf tragen der Ergebnisse der entsprechenden Messungen erhalten wurde, unter Verwendung der neuen und der alten Software, wobei gezeigt ist, daß diese zwei sehr gut koinzidieren.

Bei der Ausführungsform, die im folgenden beschrieben wird, wurde die Resonanzkurve in dem Hohlraumresonator mit Hilfe der Lorentz-Funktion angenähert. Jedoch kann mit Hilfe ir gendwelcher anderer Funktionen, wie beispielsweise einer L- C-R-Resonanzfunktion, einer Gaussschen Verteilungsfunktion, die Resonanzkurve innerhalb des Rahmens der Erfindung ange nähert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird beim Auffinden eines Winkelmusters durch Drehen der Probe, eine Resonanzfrequenz bei einer willkürlichen Meßwinkelposition mit Hilfe der ge messenen Daten (Resonanzfrequenz, halbe Breitenwertfrequenz usw.) bei einem bestimmten Drehwinkel berechnet, um dadurch die Dielektrizitätskonstante zu finden; es ist daher ledig lich erforderlich, die detektierten Werte der übertragenen Mikrowellenintensität zu sampeln, und zwar mit einer vorbe stimmten Frequenz bei beliebigen Meßwinkelpositionen (es ist nicht erforderlich, die Resonanzfrequenz von dem Zähler durch Ändern der Frequenz abzulesen), so daß die Dielektri zitätskonstanten an einer Reihe von Winkelpositionen bei In tervallen von z. B. 1°-Umdrehungen einfach und schnell gemes sen werden können. Es kann somit im Gegensatz zu dem her kömmlichen System, welches dafür ausgelegt ist, die Spitzen frequenz von dem Zähler abzugreifen, sowohl das Orientie rungsmuster als auch das Meßmuster der Dielektrizitätskon stanten mit Hilfe einer einfach aufgebauten Anordnung er halten werden.

Da ferner das Sampeln von Daten an der vorhandenen Meßwin kelposition einfach ist, wird die Computersteuerung der Meß sequenz vereinfacht.

Da ferner gemäß der vorliegenden Erfindung die Dielektrizi tätskonstante berechnet werden kann durch Verwendung der de tektierten Ausgangsgröße, um das Mikrowellen-Übertragungs grad-Muster herauszufinden, wird die Anordnung der Vorrich tung vereinfacht.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Dielektrizitätskonstanten eines blattförmigen Materials unter Verwendung eines Hohl raumresonators, dessen eines Ende die Mikrowellen empfängt und dessen anderes Ende dazu dient, die Intensität der Mi krowellen zu detektieren, wobei der Hohlraumresonator einen Querschlitz aufweist, der in der mittleren Zone desselben ausgebildet ist, und zwar zwischen den sich gegenüberliegen den Enden, um dort ein Probenblatt senkrecht zur Längsrich tung des Hohlraumresonators anzuordnen, wobei die Dielektri zitätskonstante als eine Funktion der Differenz f_1r - f_2r zwischen der Mikrowellen-Resonanzfrequenz f_1r des Hohlraum resonators, die erhalten wird, wenn keine Probe in den Quer schlitz eingeführt ist, und der Mikrowellen-Resonanzfrequenz f_2r des Hohlraumresonators, die erhalten wird, wenn eine Probe in den Querschlitz eingeführt ist, gemessen wird, wo bei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeich net ist:

a) Ablesen und Speichern der Resonanzfrequenz f_1r, welche den Spitzenwert der Mikrowellenenergieintensität lie fert, die an dem anderen Ende abgegriffen wird, während von Hand oder automatisch ein Frequenzdurchlauf bzw. Abtastung der Mikrowellen durchgeführt wird, die in den Hohlraumresonator eingeleitet wurden, wenn das Probe blatt nicht in den Querschlitz eingeführt ist,
b) Ablesen und Speichern der Resonanzfrequenz f_2r (0) und dessen Spitzenpegel Io, die den Spitzenwert der Mikro wellenenergieintensität liefert, die abgegriffen wird an dem anderen Ende, während von Hand oder automatisch die Frequenz der Mikrowellen durchlaufen oder abgeta stet wird, die dem Hohlraumresonator zugeführt werden, wenn das Probenblatt in dem Querschlitz eingeführt ist und auf einem vorherbestimmten Winkel hinsichtlich der Längsachse des Hohlraumresonators gehalten wird,
c) Ablesen und Speichern der Meßfrequenz f und deren Spitzenwert I {f(0)}, bei der die Mikrowellenenergie intensität einen Pegel erreicht, der niedriger ist als der Spitzenpegel Io, und zwar um einen vorbestimmten Faktor, wobei von Hand oder automatisch die Frequenz der Mikrowellen auf der hohen oder niedrigen Frequenz seite von der Resonanzfrequenz f_2r (0) durchlaufen oder abgetastet wird, und zwar bei dem Mikrowelleneingangs- Energiepegel, der zu dem Spitzenpegel Io der Mikrowel lenenergieintensität bei der Resonanzfrequenz f_2r (0) geführt hat,
d) Ablesen und Speichern der Mikrowellenenergieintensität I {f(ß)}, die von dem Hohlraumresonator bei der Fre quenz f₁ abgegriffen wurde, und des Mikrowellenein gangsenergiepegels, der zu dem Pegel Io bei der Fre quenz f_2r (0) in dem Zustand geführt hat, bei dem das Probenblatt in dem Querschlitz über einen bestimmten Winkel β um die Längsachse von dem vorbestimmten Winkel aus gedreht wird,
e) Berechnen der Resonanzfrequenz f_2r(β) in dem Zustand, bei welchem das Probenblatt in dem Querschlitz um einen gegebenen Winkel β um die Längsachse von dem vorbe stimmten Winkel aus gedreht wird, anhand der Formel, welche eine Annäherung an eine Resonanzkurve be schreibt, und
f) Berechnen der Dielektrizitätskonstanten des Blattes als eine Funktion von f_1r, f_2r (β) bei dem Winkel β.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Formel, welche eine Annäherung an eine Resonanzkurve be schreibt, wie folgt ist: f_2r(β) = f - H [[Io - I {f(β)}] / I {f(β)}]^1/2worin H = f₁ - f_2r (0); und f₂ eine Frequenz ist, die der halben Weite von f_2r (0) entspricht,
wobei die Formel unter der Annahme erhalten wird, daß die Mikrowellenkurve in dem Hohlraumresonator eine Lorentz- Funktion ist und wobei die Frequenz f_2r (0), der Pegel Io und I {f(β)} verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfrequenz f die Frequenz f₁ ist, die der halben Weite oder Breite entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Winkelposition des Probenblattes hinsicht lich der Achse des Hohlraumresonators bei einem Drehwinkel eingestellt ist, bei welchem eine maximale Ausgangsgröße er halten wird, und zwar bei gleichem Resonator-Eingang, durch Drehen des Probenblattes, nachdem es in einer willkürlichen Winkelposition in dem Querschlitz positioniert worden ist.

5. Gerät zum Messen der Dielektrizitätskonstanten eines blattförmigen Materials unter Verwendung eines Hohlraumreso nators, dessen eines Ende die Mikrowellen empfängt und des sen anderes Ende dazu dient, die Intensität der Mikrowellen zu detektieren, mit einem Querschlitz in einem mittleren Bereich des Hohlraumresonators zwischen den gegenüberliegen den Enden, um ein Probenblatt senkrecht zur Längsrichtung desselben anzuordnen, wobei die Dielektrizitätskonstante als eine Funktion der Differenz f_1r - f_2r zwischen der Mikrowel len-Resonanzfrequenz f_1r des Hohlraumresonators, die erhal ten wird, wenn keine Probe in den Querschlitz eingeführt ist, und der Mikrowellen-Resonanzfrequenz f_2r des Hohlraum resonators, die erhalten wird, wenn eine Probe in den Quer schlitz eingeführt ist, gemessen wird, dadurch gekennzeich net, daß die Vorrichtung folgendes enthält:

a) einen Oszillator, der eine Frequenzabtastung durchfüh ren kann, um Mikrowellenenergie dem einen Ende des Hohlraumresonators zuzuführen,
b) einen Detektor zum Detektieren der Intensität der Mi krowellenenergie, die an dem anderen Ende abgegriffen wird,
c) eine Probehalte- und Dreheinrichtung, welche die Um fangskante des Probenblattes halten kann und das Blatt in dem Querschlitz des Hohlraumresonators positionieren kann und dieses gesteuert um die Längsachse des Resona tors drehen kann,
d) eine Datenverarbeitungseinrichtung, welche dafür ausge bildet ist, um die Frequenzinformation von dem Oszilla tor und die Mikrowellen-Intensitätssignale von dem De tektor zu empfangen, um diese zu speichern und arithme tisch zu verarbeiten, wobei dann, wenn das Probenblatt in einem vorbestimmten Winkel hinsichtlich der Längs achse des Hohlraumresonators gehalten ist, der Winkel als 0° genommen wird und wobei die folgende Formel ver wendet wird: f_2r(β) = f - H [[Io - I {f(β)}] / I {f(β)}]^1/2wobei H = f₁ - f_2r (0); und f₁ eine Frequenz ist, die der halben Weite von f_2r (0) entspricht,
wobei die angegebene Formel durch Verwendung der Resonanzfrequenz f_2r (0), des Mikrowellen-Intensitäts pegels Io, der Frequenz f, die bei einem vorbestimmten Faktor in der Resonanzkurve niedriger wird als bei Io, und des Mikrowellen-Intensitätspegels I {f(β)}, der er halten wird, wenn das Probenblatt um βo um die Achse bei der gleichen Resonator-Mikrowelleneingangsgröße ge dreht wird, und der Frequenz f, wobei die Resonanzfre quenz f_2r (β) in dem Zustand, in welchem sich das Pro benblatt in dem Querschlitz befindet und um einen gege benen Winkel ß hinsichtlich der Längsachse gedreht wird, berechnet wird, und wobei die Dielektrizitätskon stante bei dieser Winkelposition als eine Funktion von f_1r - f_2r (β) berechnet wird, und
e) eine Eingabevorrichtung, um in die Datenverarbeitungs einrichtungskonstante den Voreinstellwinkel β und ähn liche Größen einzugeben, die für die Berechnung der Di elektrizitätskonstanten erforderlich sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenhalte- und Dreheinrichtung durch die Datenver arbeitungseinrichtung gesteuert ist, wobei das Probenblatt automatisch gedreht wird, nachdem es in den Querschlitz bei einer beliebigen Winkelposition positioniert worden ist, und daß die vorbestimmte Winkelposition (0°) des Probenblattes hinsichtlich der Achse des Hohlraumresonators auf eine Win kelposition gesetzt wird, bei der eine maximale Ausgangs größe für die gleiche Resonatoreingangsgröße erhalten wird, wobei das Probenblatt automatisch durch die Meßwinkelposi tion β° auf der Grundlage der Winkelposition (0°) gedreht wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwinkelposition β° aus einer Vielzahl von Winkel positionen β1, β2, β3 . . . besteht, die um einen vorbestimm ten Steigungswinkel allmählich zunehmen, und daß die Berech nung der Dielektrizitätskonstanten für jeden Steigungswinkel durchgeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Beziehung zwi schen der Winkelposition des Probenblattes und der Dielek trizitätskonstanten in einem zweidimensionalen Muster aus zudrücken.