NL7815048A - Identificatie van materialen met behulp van hun gecompliceerde dieelektriciteitsaanwijzing. - Google Patents

Description

- 1 -

Ned.0.A.Nr. 7815048

Identificatie van materialen met behulp van hun gecompliceerde diëlektriciteitsaanwijzing.

De uitvinding heeft betrekking op het onderzoeken van materialen, en meer in het bijzonder van heterogene materialen.

Deze materialen zijn mengsels van componenten van 5 twee of meer materialen die ieder een zeer verschillend elektrisch geleidingsvermogen en diëlektrische constante hebben. Materialen die op deze wijze zijn samengesteld worden dikwijls heterogene materialen genoemd wegens hun elektrische eigenschappen. Sommige voorbeelden van 10 deze soort materialen zijn springstoffen die samengesteld zijn uit een ontplofbaar molekuul met een hoge diëlektrische constante en een inerte vullingsstof, zoals zaagsel, dat een relatief lage diëlektrische constante heeft? een ander voorbeeld is het mengsel van water en zand, dat homo-15 geen in samenstelling kan lijken, maar water en zand hebben duidelijk verschillende elektrische eigenschappen„

Andere voorbeelden zijn water en gesuspendeerde vaste stoffen of zelfs gemarmerd vlees in welk geval de samenstellende elementen mager spierweefsel en vet weefsel zijn.

20 Er is voor een lange tijd behoefte geweest aan een vlug non-destructief experiment voor heterogene materialen dat hen gemakkelijk kan identificeren of hun eigenschappen openbaren. Twee onmiddellijke toepassingen voor zulke experimenten liggen op het gebied van het bepalen van briefbommen 25 en op het gebied van bodemanalyse.

Met betrekking tot veiligheidsdetectie was de mogelijkheid om springstoffen in kleine enveloppen te verpakken en met de post te versturen, gedurende een lange tijd een ernstig veiligheidsprobleem. Mët betrekking tot bodemanalyse, 30 is er behoefte aan een vlugge bodemanalyse in het open veld die informatie geeft omtrent vochtinhoud of mechanische eigenschappen.

Wij hebben gevonden, dat deze beide materialen duidelijke geleidende eigenschappen hebben die niet lineair 35 zijn over een gegeven frequentiebereik. Deze informatie kan gebruikt worden om zulke materialen te identificeren en te 7815048 - 2 - analyseren.

SAMENVATTING EN KENMERKEN VAN DE UITVINDING

Dienovereenkomstig is het doel van deze uitvinding een non-destructieve methode te verschaffen om heterogene 5 materialen te onderzoeken waarin êên van de bestanddelen een hoge diëlektrische eigenschap heeft.

Bovendien verschaft deze uitvinding een elektronisch onderzoekingsinstrument waarin de elektrische eigenschappen van het materiaal gebruikt worden om inlichtingen te geven 10 omtrekt het type en samenstelling van dit materiaal.

Een kenmerk van deze uitvinding is het gebruik van de geleidende eigenschappen van heterogene materialen als middelen voor hun onderzoek.

Een ander kenmerk van deze uitvinding is de mogelijk— 15 heid om de materialen te onderzoeken in een gesloten pakje.

Nog een ander kenmerk van deze uitvinding is het voorzien in een onderzoekingsmogelijkheid welke springstoffen kan identificeren in pakjes, bijvoorbeeld in brieven.

Een ander kenmerk, van deze uitvinding is om een onder-20 zoekingstechniek te verschaffen welke bijna onmiddellijk aanwijzingen geeft en welke het mogelijk maakt om vele voorwerpen met zeer grote snelheid te onderzoeken.

Een ander kenmerk van dit instrument is de toepassing van data voor constructie van een kurve van de geleidbaar-25 heid, die gebaseerd is op frequentie-aanwijzingen, om een onderscheid te maken tussen heterogene typen van materiaal en om inlichtingen te geven omtrent de concentratie van het hoge diëlektrische element in de samenstelling.

Nog een ander kenmerk van de uitvinding is om apparaten 30 te verschaffen die het mogelijk maken de hoeveelheid vocht te bepalen in heterogene materialen, zoals zand in de grond. BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGEN

Fig. 1 laat kurven zien van de geleidbaarheid als een funktie van de frequentie en illustreert de geleidbaar-35 heidsaanwijzing van verschillende springstoffen vergeleken met andere materialen; fig. 2 is een grafiek van het geleidingsvermogen uitgezet tegen de frequentie voor verscheidene springstoffen en voor verschillende materialen die niet exploderen, welke 40 de hogere mate van geleidingsvermogen van springstoffen 7815048 -3- illustreert; fig. 3 is een diagram dat de capacitantie weergeeft als een funktie van de frequentie in kurven voor verschillende exploderende en niet exploderende materialen; 5 fig. 4 is een vectordiagram voor een typische capacitieve component welke zowel de componenten van de capacitantie als van de weerstand laat zien, die beide van belang zijn; fig. 5 is een grafiek van een typische kromme voor 10 springstoffen, die demonstreet hoe de kurve van het geleidingsvermogen verandert met betrekking tot de concentratie van de springstoffen; fig. 6 geeft een circuit weer voor detectie van veranderingen in geleidingsvermogen, met een tijdschake-15 ling en een decodeerschakeling; fig. 7 illustreert een ander soort schakeling die veranderingen in geleidingsvermogen kan vaststellen en die een detector en een tegenschakeling toepast; fig. 8 is een blokdiagram van een brugschakeling 20 die gebruikt kan worden om veranderingen in geleidingsvermogen te bepalen; en fig. 9 is een blokdiagram van een andere brugschakeling, die gebruikt kan worden om veranderingen en geleidingsvermogen te bepalen.

25 BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

Verwezen wordt in het bijzonder naar de tekeningen, waarin fig. 1 en 2 kurven weergeven voor geleidingsvermogen als een funktie van de frequentie voor enveloppen die exploderende en niet-exploderende materialen bevatten. 30 De kurven werden verkregen door een enveloppe te plaatsen in de ruimte tussen twee vlakke platen die een capacitief element vormen en die een onderdeel vormen van een elektronische schakeling die gevoelig is voor géleidingsvermogen.

Kurve 10 in fig. 1 is de springstof PETN en geeft 35 capacitantiewaarden weer voor frequenties tot 50 KHz.

Merk op dat het geleidingsvermogen van PETN steil stijgt tot een waarde van 0,3 reciproke nano-ohms en dan ongeveer gelijk blijft.

De getrokken lijn 12 is voor een enveloppe die spring-40 stof C bevat welke een groter geleidingsvermogen heeft dan de twee gebroken lijnen die de respectievelijke kurven 7815048 - 4 - weergeven van enveloppen die plexiglas en papier bevatten.

Fig. 2 geeft ook kurven weer voor het geleidingsvermogen afgezet tegen de frequentie; de getrokken lijn is voor springstoffen, en de gebroken lijn is voor stoffen die 5 niet exploderen. Voor betere duidelijkheid, verschillen de waarden voor het geleidingsvermogen in deze grafiek een faktor tien van de waarden in de krommen van fig. 1.

Deze schaal laat duidelijk zien dat het geleidingsvermogen van lijn 18 voor springstof C en van lijn 19 voor dynamiet, 10 groter zijn. Kurve 20 is voor plexiglas in een enveloppe en is lager dan kurven 18 en 19. Kurve 22 heeft een nog lager geleidingsvermogen en was verkregen voor een enveloppe die zowel papier als munten bevatte. Kurve 24 is de kurve voor een gewone enveloppe met papier, en kurve 26 was 15 verkregen voor een enveloppe die papier en twee kredietkaarten bevatte.

Deze figuren illustreren de grote verandering in geleidingsvermogen van springstoffen als een funktie van de frequentie, in het bijzonder met betrekking tot PETN 20 en dynamiet. Met betrekking tot materiaal C zal men opmerken, dat het geleidingsvermogen van dit materiaal een grote verandering ondergaat met de frequentie, speciaal in het lage frequentiebereik, zoals geïllustreerd in fig. 2.

Substanties die niet exploderen hebben, in tegendeel, 25 een veel kleinere verandering in geleidingsvermogen met verandering in frequentie.

Springstoffen bestaan uit mengsels van ontplofbare materialen en verdikkingsmiddelen. Het ontplofbare materiaal heeft zeer hoge diëlektrische eigenschappen en 30 heeft een grote non-lineaire verliescomponent in een frequentiebereik tot ongeveer 15 KHz.

De capacitantiewaarden zijn evenredig met de permitivi-teit van het monster dat tussen de platen gebracht wordt.

Fig. 3 laat zien dat de grafieken van capacitantie uitge-35 zet tegen de frequentie van ongeveer 100 Hz tot 50 KHz demonsteren, dat de springstoffen, weergegeven met een getrokken lijn, een permitiviteit hebben die een geringe afhankelijkheid vertoont van de frequentie, en dat de capacitantie een veel grotere waarde heeft dan van monsters 40 die niet ontplofbaar zijn en welke zijn weergegeven met 7815048 - 5 - een stippellijn. Kurve 28 is voor de springstof PETN, en kurve 30 is voor materiaal C. Kurven 32 en 34 geven respectievelijk de resultaten weer die verkregen waren voor enveloppen die alleen maar plexiglas bevatten en voor een 5 enveloppe die twee kredietkaarten bevatte.

De betekenis van deze eigenschap van heterogene materialen met een hoog diëlektrisch element is geïllustreerd in fig. 4. De elektrische vector 36 die het grote verlies van de platen van de condensator weergeeft, heeft een 10 capacitieve component 40 en een weerstandscomponent 38.

De capacitieve component bevat informatie met betrekking tot de diëlektrische constante. De weerstandscomponent 38 verschaft fundamentele inlichtingen omtrent de waarde van het verlies in weerstand. Verschillende metingen worden 15 uitgevoerd voor iedere frequentie die toegepast wordt in een bereik tot aan 50 KHz voor een gegeven monster dat tussen de platen van het capacitieve element gebracht wordt. Met de weerstandscomponent kan men bij iedere frequentie een waarde voor de weerstand vinden. Het geleidingsvermogen 20 is louter het reciproke getal van deze waarde.

Er werd gevonden dat springstoffen een non-lineaire geleidingsvermogenkurve hebben. Springstoffen bestaan uit een mengsel van het onstabiele ontplofbare materiaal, dat een hoge diëlektrische constante heeft, en een inerte vul-25 stof, zoals zaagstel, dat niet zo'n eigenschap heeft.

Ieder type springstof heeft een kenmerkende kromme voor het geleidingsvermogen.

In fig. 5 produceert de variatie in geleidingsvermogen afgezet tegen de logarithmische waarde van de frequentie, 30 een kurve die enigszins een S-vorm heeft. Factoren die van belang zijn, zijn de mate waarin het geleidingsvermogen toeneemt met de frequentie, en het punt waarin het geleidingsvermogen een maximum bereikt. De mate van verandering in deze kurven is een funktie van de concentratie per volume 35 van het hoge diëlektrische materiaal (springstof) in de vulstof. De grootte van de kurve op het punt waar het geleidingsvermogen niet verandert, houdt verband met de hoeveelheid materiaal met de hoge diëlektrische eigenschap, zowel als met de concentratie per volume.

40 De lagere sectie van kurve 42, weergegeven in fig. 5, 7815048 - 6 - stijgt geleidelijk tot het middelste deel 44 en wordt horizontaal bij 46. Het middelste gedeelte van kurve 44 tussen de gebroken lijnen 48 en 50 geeft weer hoe het geleidingsvermogen verandert met de frequentie. Dit gedeelte 5 van de kurve houdt verband met de concentratie van het diëlektrische element in de samenstelling.

Het punt waar de kurve horizontaal wordt in het bovenste gedeelte van 46 houdt zowel verband met de concentratie per volume als met de hoeveelheid materiaal.

10. Er werd gevonden, dat ieder soort materiaal zijn eigen kenmerkende kromme heeft voor het geleidingsvermogen, en daardoor kunnen verschillende soorten materiaal van elkaar onderscheiden worden nadat diverse series standaard-kurven zijn verkregen. Deze distinctieve krommen of kenmer-15 ken van het geleidingsvermogen maken het mogelijk om een pakje, zoals een enveloppe, te onderzoeken zonder het te openen, en om de hoeveelheid zowel als het type van materialen in de evenloppe of pakje, te bepalen.

Er bestaan een aantal verschillende elektrische schake-2Q lingen die toegepast kunnen worden om gebruik te maken van de geleidende eigenschappen van heterogene diëlektrische materialen. Eén zulk een schakeling is weergegeven in fig. 6. Deze schakeling wordt in het bijzonder gebruikt voor het onderzoeken van brieven die mogelijkerwijze springstoffen 25 kunnen bevatten.

Een ingangslijn 52 wordt parallel verbonden met een tijdschakeling 54 en met een lijn die een weerstand 56 en een capacitief element 58 bevat. Het capacitieve element 58 bestaat uit twee evenwijdige platen waartussen een gesloten 3Q brief 60 wordt geschoven.

De R-C schakeling die gevormd wordt door de weerstand 56 en het capacitieve element 58 beïnvloedt de tijdschakling 54 wanneer het capacitieve element 58 verandert in waarde.

Dit gebeurt wanneer een brief 60 die een hoog diëlektrisch 35 materiaal bevat, tussen de platen wordt geschoven. In zoverre als het capacitieve element geen zuiver geleidingsvermogen weergeeft, is de equivalente schakeling van dit element een capacitantie in parallel met een weerstand.

De voltagecomponent is in wezen zoals is weergegeven in 40 fig. 4, en de dominante term voor de vector is de capaci- 7815048 - 7 - tantiecomponent.

De springstoffen veroorzaken een grote verandering in de waarde van het geleidingsvermogen en daardoor verandert de frequentie-uitgang van de tijdschakeling 5 54. Wanneer er geen voorwerp tussen de platen van het capacitieve element 58 is, dan heeft de tijdfrequentie een zekere gegeven waarde. Deze uitgang wordt gevoed door het weerstandsnetwerk 62 en 64 en wordt gekoppeld via capacitor 66 tot de toon-decodeerschakeling. De toon-decodeerschakelt) ling is afgestemd op deze frequentie, die wordt weergegeven door fQ. Wanneer de twee frequenties op elkaar afgestemd zijn is de uitgang van de toon-decodeur hoog.

Wanneer echter een materiaal met een hoge diëlektrische substantie (springstof) tussen de platen wordt geschoven, 15 verandert de capacitantie van element 58. Dit wordt veroorzaakt door de verandering in permitiviteit die teweeggebracht wordt door het hoge diëlektrische materiaal. Aangezien de equivalente schakeling bestaat uit een capacitantie met een weerstand in parallel, zijn vectormetingen 20 van belang, om de componenten van de capacitantie zowel als de weerstand (fig. 4) te bepalen. De nauwkeurige meting van de weerstandscomponent, die de reciproke waarde is van het geleidingsvermogen, zal de waarde geven voor het geleidingsvermogen.

25 Omdat de ladingstijd voor het capacitieve element 58 van het R-C netwerk van de tijdschakeling verandert, zal de uitgang van de tijdschakeling veranderen. De grootte van dit verschil is voldoende om de bandbreédte van de toon-decodeer schakeling te overschrijden. De uitgang van de 30 toon-decodeerschakeling wordt dan minder, en de alarmscha-keling 70 die gemaakt is om zulke veranderingen te constateren, wordt geactiveerd.

De waarden kunnen zodanig worden gekozen, dat de gevoeligheid van de schakeling veranderd kan worden zodat 35 het geschikt is voor de voorwerpen die worden onderzocht. Indien gewenst, kan de gegeven schakeling gemakkelijk gevarieerd worden door de bandbreedte van de decodeer-schakeling 68 te variëren.

De frequentie die naar de schakeling gevoerd wordt door 40 lijn 52, zal voor springstoffen tussen 30 en 50 KHz liggen.

7815048 - 8 -

Dit kan gezien worden in fig. 1 tot 3; de hogere aflezing voor geleidbaarheid en capacitantie van springstoffen is gemakkelijk te onderscheiden.

De schakeling reageert ook zeer vlug. Bijvoorbeeld, 5 wanneer deze wordt gebruikt om briefbommen te vinden, kunnen 700 tot 1000 stukken per minuut worden onderzocht.

Indien identificatie van de springstof is vereist, dan moet een kenmerkende kurve worden opgewekt door verscheidene frequenties toe te passen. De eenvoudige IQ briefbomdetector werkt op een enkele frequentie, waarin de hoogte van het geleidingsvermogen of de capacitantie-verandering (verlies) wordt gebruikt om de aanwezigheid van springstoffen te bepalen omdat alle aanwijzingen van het geleidingsvermogen hoog zullen zijn.

15 De constructie van de platen van het capacitieve element 58 kan ongeveer de afmetingen hebben van een enveloppe wanneer het gebruikt wordt om briefbommen te vinden. De evenwijdige platen die werden gebrüikt,waren gemaakt van dun metaal ongeveer 7½ cm breed en 28 cm lang en waren 20 ongeveer 1,3 cm van elkaar geplaatst.

De hoekfout van de frequentie die gebruikt wordt voor de schakeling, met betrekking tot de frequentie die toegepast wordt over het capacitieve element 58, is eveneens belangrijk. Ze moeten in fase met elkaar zijn en mogen geen 25 grotere afwijking hebben dan een halve graad, anders moeten ze worden gecorrigeerd tot hun afwijking aan deze voorwaarde voldoet, om een goede nauwkeurige aflezing te verkrijgen. Bovendien is het essentieel dat een zeer stabiel gefixeerd oscillatorsignaal wordt gebruikt om duidelijke 30 nauwkeurige aflezingen te krijgen.

Fig. 7 laat een andere schakeling zien om substanties te vinden die hoge diëlektriciteit hebben. De bron 72 die de periodieke frequentie genereert is verbonden over een capacitief element dat bestaat uit platen 74 en 76 met een 35 opening 78 (gevuld met lucht) tussen deze platen. Het monster 80 dat in het algemeen aangeduid is bij S wordt tussen de platen bewogen en de verandering in capacitantie zal worden waargenomen door de detector 82. Gewoonlijk gebruikt men de stroom om de capacitieve platen 74 en 76 40 op te laden totdat het voltageverlies over de platen een 7815048 - 9 - yan tevoren bepaalde waarde overschrijdt. Op dat ogenblik snijdt de detector de stroom af, zodat de lading tussen de platen tot een gegeven bedraagt terugloopt, dat vervolgens teweegbrengt dat de detector de stroom weer terug in de lijn 5 brengt en de condensator weer oplaadt. Met dit arrangement treedt de detector op als een periodieke voltagegenerator die een signaal geeft waarvan de periode afhangt van de lading en ontlading van het capacitieve element. Wanneer het monster geplaatst wordt tussen de platen 74 en 76 verandert 10 de capacitantie van het element en dit, op zijn beurt, wijzigt het uitgangssignaal van de detectorschakeling 82 naar de teller 84. De teller 84 voorziet de comparator 86 van een signaal, en indien dit verschil voldoende grooit is, zal de comparator een signaal doorgeven naar de alarmschake-15 ling 88 die dan geactiveerd wordt.

De schakeling is een snel reagerende schakeling die op een eenvoudige wijze geconstrueerd kan worden. Het nadeel is dat, aangezien de tijdconstante van de condensator het produkt is van de weerstand en de capacitieve elementen, 20 de waarde van deze componenten niet gemakkelijk bepaald kan worden.

Fig0 8 laat de brugschakeling zien, die bedreven wordt door een sinusgolfgenerator. Brugelementen 92 en 94 zijn gebalanceerde impedanties die verbonden zijn via een 25 detector 96. De detector zal gebalanceerd zijn wanneer de brug in evenwicht is. Variabele weerstanden 98 en de variabele condensator 100 passen bij de impedanties Z1 die weergegeven zijn als element 92. Zij vertegenwoordigen eveneens de equivalente schakeling van het capacitieve element in 30 de overblijvende tak van de brug, die gevormd wordt door de parallel geplaatste platen 102 en 104.

De variabele elementen 98 en 100 controleren de nul-positie van de detector. Een monster dat geplaatst wordt tussen de platen 102 en 104 kan de brug uit zijn evenwicht 35 brengen en het evenwicht wordt hersteld door de elementen 98 en 100 te adjusteren. Deze regeling produceert de waarden voor de weerstand en de capacitantie, die door het monster worden veroorzaakt.

Er moet weer de nadruk opgelegd worden, dat aandacht 40 wordt besteed aan de in-fase-betrekking van het periodieke 7815048 - 10 - voltage dat wordt gebruikt. Deze schakeling zal effectief zijn om kenmerken 'te produceren op diverse frequenties voor de verschillende typen van springstoffen, wanneer identificatie is vereist. Men moet echter opmerken, dat wanneer 5 . opeenvolgende frequenties worden gebruikt om kenmerkende data te verkrijgen, men tijd beschikbaar moet stellen om de variabele weerstand en de condensator met de hand of op andere wijze te ad justeren om de brug weer in evenwicht te brengen.

10 De schakeling in fig. 8 kan ook worden gebruikt als een gekalibreerde brugdetectieschakeling. Een bekend monster wordt tussen de platen 102 en 104 geplaatst en zal het brug-voltage uit zijn evenwicht brengen. De kwadratische componenten van het uit evenwicht gebrachte voltage worden 15 geregistreerd en vergeleken met bekende veranderingen van de capacitantie en de weerstand die worden veroorzaakt door het monster. Indien deze waarden niet overeenkomen met bekende waarden, dan worden de bekende waarden tezamen met de geregistreerde waarden gebruikt als een stel kalibreergetal-20 len om verdere voltage-aanwijzingen te corrigeren, zodat ze de werkelijke data weergeven voor de componenten van de weerstand en de capacitantie.

De data die verkregen worden omtrent geleidingsvermogen bij de diverse frequenties voor een gegeven monster, zal 25 een kenmerk voor het geleidingsvermogen verschaffen, dat opgeborgen kan worden en dan vervolgens kan worden vergeleken met een onbekend monster dat tussen de condensator-platen 102 en 104 wordt geplaatst.

De detectorschakeling kan een vector-voltmeter, of 30 een AC voltmeter, of een fasegevoelige detector, of een digitale computer omvatten.

Met betrekking tot identificatie van het type di-elektrisch materiaal of van de springstof moet opgemerkt worden, dat een aantal frequenties aangewend moet worden 35 in de brug om actieve data te verkrijgen, en deze kunnen worden vergeleken met de kenmerken van de verschillende typen materialen die van tevoren werden verkregen en werden opgeborgen.

Een computer wordt gebruikt om deze taak uit tevoeren, 40 omdat er een behoefte bestaat aan het opbrengen van de data- 7815048 - 11 - nummers die achtereenvolgens waren verkregen bij iedere frequentie, en aan het vergelijken van deze data met de data die van tevoren waren opgeborgen. De techniek kan een vergelijkende methode toepassen of zou zeer gemakkelijk 5 geschikt gemaakt kunnen worden voor een methode die de hoogte of een kenmerk van het signaal gebruikt.

Met betrekking tot het systeem is er eveneens gevonden, dat data kunnen worden verkregen die de plaats van een springstof in een pakje aangeeft bij louter observeren van IQ de verandering in capacitantie en geleidingsvermogen van het pakje wanneer het door de ruimte tussen de platen doorgaat. Een standaard-eigenschap, bijv. de laterale snelheid van de enveloppe gedurende het passeren, of een tijdbasis, kan gebruikt worden om het punt te bepalen naar de waarde 15 van de capacitantie of het geleidingsvermogen verandert.

De positie van de springstof in de enveloppe of in het pakje, kan gemakkelijk bepaald worden in correlatie met deze data.

Zoals hiervoor al werd aangegeven, kan de detector-schakeling een fasegevoelige detector of een digitale compu-20 ter omvatten. Het is echter mogelijk, om dezelfde resultaten te bereiken met behulp van Fourier-omzettechnieken zoals adaptatiefilters. De individuele analoge fasegevoelige detectors voor iedere frequentie, kunnen vervangen worden door een brede bandversterker die, tezamen met een nauwkeurige 25 tijdbasisgenerator, welke als klok dienst doet, het mogelijk maakt om de Fourier transformatietechniek te gebruiken.

De data kunnen dan op gezette tijden worden bestudeerd en geanalyseerd met behulp van standaard-Fourier-transformatie-technieken in een computer, bijv. een minicomputer. Het is 30 mogelijk om het voordeel, voor dit doel dezelfde computer te gebruiken die hiervoor vermeld werd in verband mét de identificatie van het type diëlektrisch materiaal of de ontplofbare substantie waar het om gaat.

Fig. 9 geeft een brugschakeling weer, waarin signaal-35 generator 110 een multifrequentie-signaalgenerator is met een gebalanceerde uitgang. De generator heeft typisch, een frequentiebereid van ongeveer 100 Hz tot 100 KHz. De signaalgenerator zelf, is geaard en is verbonden over capacitieve elementen 112 en 114. In de schakeling die ge-40 illustreerd is in fig. 9 bestaat ieder capacitief element 7815048 - 12 - 112 en 114 uit twee evenwijdige platen met een ruimte er tussen. In de praktijk, wordt er de voorkeur aan gegeven, om drie evenwijdige platen te gebruiken met een ruimte er tussen in, gewoonlijk gefabriceerd van hetzelfde mate— 5 riaal, zoals aluminium, of andere geschikte geleidende materialen, met een schermring aan de omtrek van de middelste plaat. Dit laatste arrangement gedraagt zich als twee capacitieve elementen geplaatst in serie. De elementen 120 en 122 van de brug zijn impedanties die parallel ver-10 bonden zijn met de capacitieve elementen 112 en 114.

De impedanties 120 en 122 kunnen met voordeel bestaan uit precisieweerstanden van metaal-film en zijn zoveel mogelijk gelijk. De impedanties 120 en 122 worden aanvankelijk zo geregeld dat de som van de waarde van de potentiaal in pun-15 ten E en F ten allen tijde gelijk is aan nul. Dat wil zeggen, dat indien de potentiaal in E is gelijk aan Ve en de potentiaal in F is gelijk aan V^, dat de verlangde conditie dan wordt bereikt wanneer Ve is gelijk aan -V^. Versterker 115 is verbonden met de capacitieve elementen 20 112 en 114 en kan stroom van de brugschakeling omzetten

in een voltage-uitgang, die gemeten kan worden door de detector 118. Dit kan een fasedetectorsysteem vereisen of een Fourier-transformatiesysteem, zoals hiervoor is besproken. Ofschoon het mogelijk kan zijn om een weerstand te 25 gebruiken, in plaats van versterker 116, om de stroom in de schakeling om te zetten in een voltage-uitgang, wordt aan het gebruik van de versterker de voorkeur gegeven, aangezien deze zeer gevoelig is voor stroom en geen lading naar de schakeling voert. Bovendien helpt de versterker 116 om een 30 gebalanceerde potentiaal te handhaven in de punten H en G

van de schakeling. De capacitieve elementen 112 en 114 worden geadjusteerd voordat een minster tussen de platen gebracht wordt zodat de voltage-uitgang nul is. Dit kan worden bereikt door êên van de platen van het capacitieve element 35 te bewegen ten opzichte van een bepaalde afstand van de plaat of platen van het andere capacitieve element. Het andere capacitieve element wordt dan gebruikt als het detectie-element. Op deze manier is het mogelijk om aanvankelijk de brugschakeling in êên enkele operatie te balan-40 ceren, en ér is geen verdere balancering nodig nadat ieder 7815048 - 13 - experimenteel monster in het capacitieve detectie-element is geplaatst. Nu en dan kan het experimentele monster een grote aflezing veroorzaken als het in het capacltieve element geplaatst wordt, zodat de voltage-uitgang van de 5 versterker 116 zijn dynamisch bereik overschrijdt. Wanneer dit geschiedt, is het mogelijk om het andere capacltieve element te gebruiken om de voltage-uitgang te verminderen door ten minste een gedeelte van de aanwijzing op te heffen, zodat de versterker weer binnen zijn dynamisch 10 bereik functioneert. Bij voorkeur wordt dit bereikt, door een grotendeels identiek monster in het andere capacltieve element te plaatsen. Bijvoorbeeld, indien een monster metaal bevat, en de resulterende voltage-uitgang het dynamische bereik van de versterker overschrijdt, dan zal de intro-15 ductie in het andere capacltieve element van een monster dat grotendeels identiek is met het eerste monster, behalve het metaal, de aflezing van de uitgang met betrekking tot het gemeenschappelijke materiaal opheffen, en zal informatie verschaffen met betrekking tot het metaal. Deze informatie 2Q kan dan behandeld en vergeleken worden met standaard- kenmerken in een computer, zoals hiervoor uiteengezet werd. De schakeling die weergegeven is in fig. 9 heeft daardoor de voordelen, dat in de eerste plaats het maar ëën enkele keer nodig is om het systeem te balanceren voor ieder 25 experiment dat uitgevoerd wordt. In de tweede plaats kan een vluggere aanwijstijd worden verkregen, welke gedeeltelijk veroorzaakt wordt door het gebruik van een versterker die de circuitstroom omzet in een uitgangsvoltage. In de derde plaats is het mogelijk om een grotere ruimte tussen de 30 platen te gebruiken, door de complementaire aard van het fysieke arrangement van het capacitieve element tezamen met het gebruik van een schermring. Dit maakt het mogelijk om monsters met zeer uiteenlopende dimensies te onderzoeken. Wanneer het gewenst is om grotere monsters te onderzoeken, 35 kan het mogelijk zijn om twee of drie stellen capacitieve elementen op te stellen parallel met elkaar, overeenkomstig het stel 112 en 114, en om ieder stel te verbinden met zijn eigen versterker en detectiemiddel. Anderzijds kunnen de versterkers verbonden worden met ëën enkele detector. Op 40 deze manier kan een grotere gevoeligheid worden bereikt in 7815048 - 14 - vergelijking met een systeem dat eenvoudigerwij ze êên enkel stel platen gebruikt met een grotere oppervlakte.

Een aantal toepassingen van deze techniek en deze schakeling, omvat kwaliteitscontrole in fabricageprocessen, 5 waterbepalingen in bodemanalyse, analyse van vetgehaltes in weefsels, en analyse van de hoeveelheid verontreinigingen in een vloeistof» In het laatste geval, is er een mogelijkheid om de hoeveelheid olie, modder of vreemde materialen in een watermonster te bepalen. Het is ook mogelijk om IQ pakjes te overzien en te onderzoeken op de aanwezigheid van narcotica, zoals heroïne en cocaïne.

Uit de beschrijving van de uitvinding zal men begrijpen, dat de uitvinding gemodificeerd kan worden, en dat de uitvinding toepassingen en/of adaptaties omvat, die de algemene 15 principes van de uitvinding volgen met inbegrip van zodanige afwijkingen van deze openbaring, die binnen bekende of gebruikelijke praktijken vallen op het gebied waarop de uitvinding betrekking heeft, en voor zover ze kunnen worden toegepast op de wezenlijke eigenschappen die hiervoor zijn 2Q beschreven en voor zover ze binnen het kader vallen van de uitvinding of binnen de grenzen van de hierna volgende conclusies.

— conclusies — 7815048

Claims (19)

1. Een methode om de waarden te bepalen van heterogene materialen met een hoog diëlektrisch. element, dat de volgende stappen omvat: al genoemd materiaal introduceren tussen twee 5 platen die een onderdeel vormen van een elektrisch netwerk met een capacitieve aflezing, en b). een frequentie toepassen over de twee platen met een waarde die, overeenkomstig van tevoren uitgevoerde proeven, een relatief hoge aflezing zal produceren voor 10 het materiaal waarin men geïnteresseerd is.

2. Methode om waarden te bepalen van heterogene materialen zoals uiteengezet is in conclusie 1, met inbegrip van de volgende stap: a) een frequentie toepassen met een waarde tussen 15 10 Hz en 140 KHz.

3. Methode om waarden te bepalen van heterogene materialen zoals uiteengezet is in clusie 2, met inbegrip van de stap: a) bepalen of het materiaal dat onderzocht wordt 20 een aflezing van het geleidingsvermogen veroorzaakt die -2 groter is dan 1 x 10 nano-ohms.

4. Methode om waarden te bepalen van heterogene materialen zoals uiteengezet is in conclusie 1, met inbegrip van de stappen: 25 a) meerder opeenvolgende frequenties toepassen met verschillende waarden om een kenmerk te ontwikkelen, en b) dit kenmerk te vergelijken met degenen die verkregen zijn van monsters die achtereenvolgens tussen 30 de twee platen werden gebracht.

5. Methode om waarden te bepalen van heterogene materialen zoals uiteengezet is in conclusie 1, met inbegrip van de stappen: 7815048 - 16 - al de componenten van de werkelijke weerstand en capacitantie te verkrijgen van het verlies dat veroorzaakt wordt door introductie van het materiaal tussen de twee platen.

6. Methode om waarden te bepalen van heterogene materialen zoals uiteengezet is in conclusie 1, met inbegrip van de stap: al data verkrijgen omtrent de snelheid waarmee het geleidingsvermogen verandert en omtrent de grootte van het ld geleidingsvermogen wanneer dit onveranderd blijft, om informatie te verkrijgen omtrent de concentratie per volume van het hoge diëlektrische element en de hoeveelheid ervan in het monster.

7. Methode om waarden te bepalen van heterogene materials len zoals uiteengezet is in conclusie 1, met inbegrip van de stap: al een frequentie tussen 20 en 150 KHz toe te passen om verborgen springstoffen te vinden.

8. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen 20 met een hoog diëlektrisch element, dat bestaat uit: al capacitieve middelen voor het produceren van een capacitieve uitgang en voor het produceren van een capa-citantieverandering wanneer een hoog diëlektricum in fysiek contact daarmede gebracht wordt, 25 b] capacitieve aflezingsmiddelen verbonden met de capacitieve elementen, om de waarde te bepalen van de capacitantieverandering van de capacitieve middelen, en cl frequentie-opwekkende middelen die verbonden zijn over de capacitieve middelen, om een elektrisch uitgangs-30 signaal te produceren dat de capacitieve waarde weergeeft van de capacitieve middelen. 1 7815048 Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 8, waarin: al de capacitieve middelen bestaan uit twee platen-35 met een ruimte er tussen in, die een capacitieve waarde hebben en die voldoende ver van elkaar geplaatst zijn om het mogelijk te maken, dat een monster dat moet worden geiden- - 17 - tificeerd, tussen deze platen kan passeren„

10. Apparaat voor Identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 8, waarin; al het aflezingsmiddel voor de capacitantie een 5 tijdcircuit bevat waarmee het capacitieve middel is verbonden.

11. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 8, waarin; a) een alarmeringsmiddel in de schakeling verbonden 10 is met het capacitieve aanwijzingsmiddel en geactiveerd wordt wanneer de verandering in het geleidingvermogen van het capacitieve middel een van te voren bepaalde waarde overschrijdt.

12. Apparaat voor identificatie van heterogene materia— 15 len zoals beschrijven is in conclusie 9, waarin; al het capacitieve aanwijzingsmiddel uit een toon-decodeur bestaat.

13. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 9, waarin; 20 a) het capacitieve aanwijzingsmiddel een detector en optelmiddelen omvat0

14. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 9, waarin; a) het capacitieve aflezingsmiddel een gebalanceerd 25 circuit omvat met een detector in de neutrale tak, en bl de platen, die op enige afstand van elkaar zijn geplaatst, in één van de takken van de brug zijn geschakeld en waarin de er naast gelegen tak van de brug een veranderlijk weerstandselement en een capacitief element bevat.

15. Apparaat voor identificatie van heterogene materia len met een hoog diëlektrisch element, bestaande uit; al capacitieve middelen om een geleidbaarheiduit— gang te produceren en om een verandering in het geleidings-vermogen te produceren wanneer een hoog diëlektricum in 7815048 - 18 - fysieke associate daarmede geplaatst wordt; bi capacitieve aanwijzingsmiddelen geassocieerd met de capacitieve elementen om de verandering in geleidings-vermogen van het capacitieve middel te bepalen, en 5 cl frequentie-opwekkende middelen verbonden over de capacitieve middelen om een elektrisch uitgangssignaal te produceren, dat het geleidingsvermogen van de capacitieve middelen weergeeft.

16. Apparaat voor het identificeren van heterogene 10 materialen zoals beschreven is in conclusie 15, waarin al het capacitieve aanwijzingsmiddel geassocieerd is met de capacitieve elementen om de verandering in capacitantie van het capacitieve middel te bepalen, en b) het frequentie-opwekkende middel eveneens een 15 elektrisch uitgangssignaal produceert dat de capacitieve waarde van het capacitieve middel weergeeft.

17. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 15, waarin al het capacitieve middel geschakeld is in een 20 gebalanceerd brugcircuit, b) het detectormiddel er parallel mede verbonden is, en cl het detectormiddel, berekeningsmiddelen bevat om opeenvolgende data te verkrijgen en te analyseren in 25 verband met van tevoren opgeborgen data.

18. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen met een hoog diëlektrisch element, bestaande uit: a). capacitieve middelen om een capacitieve uitgang te produceren en om een capacitantieverandering te produ-30 ceren wanneer een hoog diëlektricum in fysieke associatie daarmede geplaatst wordt; genoemde capacitiève middelen omvatten ten minste twee capacitieve elementen verbonden in serie; bl capacitieve aanwijzingsmiddelen geassocieerd met genoemde capacitieve elementen om de waarde van de capa-35 citantieverandering van de capacitieve middelen te bepalen, genoemde capacitieve aanwijzingsmiddelen omvatten een detec- 7815048 -19- tormiddel en voltageraiddel om stroom, die opgewekt wordt door genoemde capaci&eve middelen, om te zetten in een uitgangsvoltage verbonden tussen genoemde capacitieve elementen; en 5 cl frequentie-opwekkende middelen verbonden over genoemde capacitieve middelen, om een gebalanceerd elektrisch uitgangssignaal te produceren, dat de capacitieve waarde van genoemd capacitief middel weergeeft.

19. Apparaat voor identificatie van heterogene materia-10 len zoals beschreven is in conclusie 18, waarin genoemde capacitieve middelen drie, op een afstand van elkaar geplaatste, platen bevatten met een schermring aan de omtrek van de middelste plaat, genoemde middelste plaat is verbonden met genoemd voltagemiddel om stroom, die 15 opgewekt wordt door genoemd capacitief middel, om te zetten in een uitgangsvoltage.

20. Apparaat voor identificatie van heterogene materialen zoals beschreven is in conclusie 18, waarin genoemd capacitief middel geschakeld is in een gebalanceerd 20 brugcircuit, genoemd voltagemiddel, om stroom die opgewekt wordt door genoemd capacitief middel om te zetten in een uitgangsvoltage, is verbonden tussen genoemde capacitieve elementen en genoemd detectiemiddel, genoemd detectiemiddel omvat Fourier—transformatie-analysemiddelen om de data 25 omtrent fase en grootte te analyseren die opgewekt worden door genoemd capacitief middel. 7815048