Opublikowano: 31X1973 67034 KI. 21e,27/26 MKP GOlr 27/26 Wspóltwórcy wynalazku: Slawoj Gwiazdowski, Ryszard Jachowicz Wlasciciel patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa (Polska) Urzadzenie do bezposredniego pomiaru przenikalnosci elektrycznej dielektryków Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do bezpo¬ sredniego pomiaru przenikalnosci elektrycznej dielek¬ tryków stalych w postaci plyt, folii lub pasów, dielek¬ tryków warstwowych i wlóknistych jak równiez mate¬ rialów sypkich o wlasnosciach dielektrycznych.Dotychczas przenikalnosc elektryczna mierzono me¬ toda posrednia poprzez pomiar pojemnosci i wymiarów próbki, na przyklad grubosci próbki plaskiej. Znajac wymiary liniowe i pojemnosc próbki oblicza sie prze¬ nikalnosc elektryczna. Metoda ta jest powolna, gdyz wymaga oprócz pomiarów wykonywania obliczen. Po¬ nadto obarczona jest uchybami zwiazanymi z pomiarem posrednim.Znane sa mierniki umozliwiajace bezposredni odczyt przenikalnosci elektrycznej dielektryków ale tylko w przypadku, gdy badane próbki maja z góry zadane wy¬ miary. Badany dielektryk umieszcza sie pomiedzy oklad¬ kami kondensatora plaskiego, których odleglosc ma zawsze te sama wartosc. Dielektryk powinien szczelnie przylegac do okladek kondensatora i wypelniac soba cala przestrzen miedzy okladkami. Pojemnosc tak przy¬ gotowanego kondensatora dla róznych dielektryków jest zalezna tylko od przenikalnosci elektrycznej tych dielek¬ tryków.Pomiar przenikalnosci elektrycznej w tej metodzie sprowadza sie tylko do pomiairu pojemnosci czujnika w postaci kondensatora plaskiego. W tych typach mierni¬ ków pozwalajacych na bezposredni odczyt przenikalno¬ sci elektrycznej wymaga sie stalych wymiarów grubosci mierzonej próbki z materialu stalego lub scislego, na- 10 15 20 25 30 tomiast dozowania wagowego lub objetosciowego ma¬ terialu sypkiego i wlóknistego. Metoda ta jest powolna i uciazliwa, gdyz wymaga wstepnego przygotowania próbki, a wszelkie niedokladnosci w przygotowaniu próbki powoduja uchyb pomiaru.Znana jest równiez metoda mikrofalowa bezposred¬ niego pomiaru przenikalnosci elektrycznej dielektry¬ ków, która mozna dokonywac pomiarów dielektryków stosowanych pózniej tylko w pasmie czestotliwosci mi¬ krofalowych. Wynika to z tego, ze przenikalnosc elek¬ tryczna dielektryków jest funkcja czestotliwosci.Urzadzenie do bezposredniego pomiaru przenikalnosci elektrycznej dielektryków wedlug wynalazku pozwala równiez mierzyc wilgotnosc materialów, która jest funkcja wypadkowej przenikalnosci elektrycznej nieza¬ leznie od grubosci mierzonej próbki stalej lub ilosci substancji próbki sypkiej wlóknistej lub warstwowej.Celem wynalazku jest opracowanie urzadzenia do bezposredniego pomiaru przenikalnosci elektrycznej dielektryków niezaleznie od grubosci próbki materialów stalych lub ilosci materialów sypkich i wlóknistych.Cel ten zostal osiagniety w urzadzeniu wedlug wyna¬ lazku przez jednoczesne dokonywanie pomiaru dwoma czujnikami przy czym jeden z czujników w postaci kon¬ densatora plaskiego mierzy pojemnosc próbki, drugi dowolny, a najkorzystniej indukcyjny, mierzy grubosc próbki, natomiast sygnaly wyjsciowe otrzymane z obu czujników, w postaci funkcji liniowych, mnozone sa w dowolnym ukladzie mnozacym, którego sygnal wyjscio¬ wy uniezalezniony od grubosci próbki, a zalezny tylko 670343 od jej przenikalnosci elektrycznej, mierzony jest dowol¬ nym ukladem pomiarowym korzystnie miernikiem mag- netoelektrycznym wyskalowanym w wartosciach przeni¬ kalnosci elektrycznej.Urzadzenie wedlug wynalazku zawiera dowolny uklad mnozacy, korzystnie elektroniczny, do którego jednego z dwóch wejsc dolaczony jest dowolny plaski czujnik pojemnosciowy do pomiaru pojemnosci badanej prób¬ ki, a do drugiego wejscia dolaczony jest dowolny czuj¬ nik do pomiaru grubosci, korzystnie transformatoro- wó-róznicowy, przy czym czujniki te polaczone sa naj¬ korzystniej elektrycznie lancuchowo poprzez uklady po¬ miaru i przetwarzania sygnalu, jak mostki pomiarowe, WTD^f*"*11 ¦¦ j«E* ni«*w zwrotnym lub uklady li- nfeaLyfeifcjii 33o* wytjsbiit ukladu mnozacego dolaczony jest dowolny uklad pomiarowy napiecia lub pradu. iStosujac ufzadzenie, do bezposredniego pomiaru prze- n^am^sHjelS^^ wedlug wynalazku, uaygkujto sle^sgyfefcrr dokladny pomiar przenikalnosci elektrycznej diefekifcryków stalych w postaci plyt lub fo¬ lii, wlóknistych lub warstwowych, niezaleznie od ich grubosci.Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykla¬ dach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta¬ wia schemat blokowy urzadzenia do bezposredniego po¬ miaru przenikalnosci elektrycznej dielektryków, fig. 2 przyklad wykonania urzadzenia z liniowymi ukladami pomiarowymi i liniowo pracujacymi czujnikami, fig. 3 przyklad wykonania urzadzenia z liniowym pomiarem pojemnosci i z pomiarem grubosci o charakterystyce hiperbolicznejj (najczesciej stosowanym ze wzgledu na wysoka czulosc i dokladnosc .pomiaru), gdzie Uneary- zacje sygnalu przeprowadza sie przy pomocy ukladu nieliniowego sprzezenia zwrotnego, fig. 4 schemat blo¬ kowy urzadzenia z nieliniowymi ukladami pomiarowy¬ mi i z .blokami linearyzacji parametrycznej.Urzadzenie wedlug wynalazku dziala na zasadzie jednoczesnego pomiaru badanej próbki dwoma czujni¬ kami. Jeden z czujników, czujnik pojemnosciowy mie¬ rzy pojemnosc próbki plaskiej wedlug zaleznosci d gdzie C — jest mierzona pojemnoscia próbki, e0 — sta¬ la elektryczna, s — wzgledna przenikalnoscia elektrycz¬ na próbki, S — powierzchnia elektrod pomiarowych czujnika, ad— gruboscia próbki.Stosujac uklad pomiarowy pojemnosci o charaktery¬ styce liniowej, korzystniej uklad integracyjny — otrzy¬ muje sie sygnal na przyklad napieciowy Ui stalo lub zmienno pradowy proporcjonalny do mierzonej pojem¬ nosci próbki wedlug zaleznosci gdzie ki — jest wspólczynnikiem proporcjonalnosci.Uzywajac do pomiaru jako drugi czujnik o liniowej charakterystyce pomiaru grubosci, na przyklad czujnik transfarmatorowo-róznicowy, otrzymuje sie sygnal U2 zmienno lub stalo pradowy z zastosowaniem znanego integratora szczytowego U2 = k2-d gdzie k2 *— jest wspólczynnikiem proporcjonalnosci. 4 Zasada pracy urzadzenia do bezposredniego pomiaru przenikaimosci elektrycznej wedlug wynalazku polega na liniowym pomiarze pojemnosci i liniowym pomiarze grubosci próbki dielektryka i pomnozeniu obu sygna- 5 lów w dowolnym ukladzie mnozacym wedlug zaleznosci: Uwy = U1ÓJ2 = k-e gdzie k — jest wspólczynnikiem proriorcjonalnosci. 10 Przedstawione na fig. 1 urzadzenie zawiera dowolny czujnik pojemnosciowy 1 do pomiaru pojemnosci prób¬ ki i dowolny czujnik 2 do pomiaru grubosci próbki,, które poprzez uklady pomiarowe lub linearyzujace po¬ laczone sa kazde z jednym z dwóch wejsc dowolnego 15 znanego ukladu mnozacego 3. Wyjscie ukladu mnozar cego 3 polaczone jest elektrycznie lancuchowo z ukla¬ dem pomiarowym 4 na przyklad z miernikiem magneto- elektrycznym.Na fig. 2 przedstawiony jest przyklad urzadzenia z 20 z &B- 1 które wyposazone jest w czujnik do pomiaru pojemnosci la o liniowej charakterystyce .pomiaru i w dowolny czujnik 2a do pomiaru grubosci próbki rów¬ niez o liniowej charakterystyce pomiaru, a najkorzyst¬ niej w czujnik tiansformatorowo-róznicowy. Pomiedzy 25 czujnik do pomiaru {pojemnosci la a jedno z wejsc ukladu mnozacego 3 wlaczony jest liniowy uklad do pomiaru pojemnosci 5 a miedzy czujnik 2a i drugie wejscie ukladu mnozacego 3 wlaczony jest elektrycznie lancuchowo korzystnie wzmacniacz 6 lub w miejsce 30 wzmacniacza 6 wlaczony jest uklad pomiaru podstawo¬ wego parametru czujnika 2a.Na fig. 3 przedstawiony jest przyklad urzadzenia z fig. ,2, które posiada czujnik indukcyjny dlawikowy 21* do pomiaru grubosci próbki polaczony elektrycznie 35 lancuchowo z liniowym ukladem do pomiaini induk- cyjnosci 6b. Wyjscie liniowego ukladu pomiaru induk- cyjnosci 6b dolaczone jest do wzmacniacza 7 z nielinio¬ wa petla ujemnego sprzezenia zwrotnego zawierajaca uklad zmiennej impedancji 8 i do wejscia kwadratora 9, 40 a wyjscie ukladu kwadratora 9 polaczone jest z dodat¬ kowym wejsciem ukladu zmiennej impedancji 8. Wyj¬ scie wzmacniacza 7 polaczone jest lancuchowo z drugim wejsciem ukladu mnozacego 3.Na fig. 4 przedstawiony jest przyklad wykonania 45 urzadzenia z lig. 1, które wyposazone jest w czujnik do pomiaru pojemnosci la i czujnik 2c o dowolnej nieli¬ niowej charakterystyce pomiaru grubosci. Czujnik la polaczony jest lancuchowo z ukladem pomiaru pojem¬ nosci ó nieliniowej charakterystyce 5c na przyklad z 50 ukladem mostkowym pracujacym przy znacznie korzy¬ stniejszym pobudzaniu sinusoidalnym. Uklad mostkowy polaczony jest z jednym z dwóch wejsc ukladu mnoza¬ cego 3 poprzez wzmacniacz parametryczny 10 o nieli¬ niowej charakterystyce wzmocnienia. Czujnik 2c pola- 55 czony jest elektrycznie lancuchowo z wzmacniaczem parametrycznym 7c o nieliniowej charakterystyce wzmocnienia poprzez uklad pomiarowy 6c mierzacy glówny parametr elektryczny czujnika 2c. Wyjscie wzmacniacza 7c polaczone jest lancuchowo z drugim 6Q wejsciem ukladu mnozacego 3.Urzadzenie wedlug wynalazku przedstawione na fig. 1 dziala na zasadzie jednoczesnego pomiaru badanej prób¬ ki dwoma czujnikami. Czujnik do pomiaru pojemno¬ sci 1 polaczony jest z ukladami pomiarowymi lub line- 65 aryzujacymi takimi, z których sygnal wyjsciowy poda-67034 wany na jedno z wejsc ukladu mnozacego 3 jest linio¬ wa funkcja mierzonej pojemnosci czyli wprost propor¬ cjonalny do wzglednej przenikalnosci elektrycznej prób¬ ki a odwrotnie proporcjonalny do jej grubosci. Analo¬ gicznie czujnik do pomiaru grubosci próbki 2 polaczo- 5 ny jest z drugim wejsciem ukladu mnozacego 3 poprzez uklad mierzacy glówny parametr elektryczny tego czuj¬ nika lub uklady linearyzacji ale takie, aby sygnal wcho¬ dzacy na drugie wejscie ukladu mnozacego 3 byl linio¬ wa funkcja grubosci próbki. Sygnal wychodzacy z ukla- 10 du mnozacego 3 jest liniowa funkcja tylko przenikalno- sci elektrycznej badanej próbki i jest mierzony ukladem pomiarowym 4 analogowym lub cyfrowym, wyskalowa- nyirt w wartosci wzglednej przenikalnosci elektrycznej i dajacym wskazanie w postaci zapisu lub odczytu wi- 15 zuaikiego.Urzadzenie przedstawione na fig. 2 dziala analogicz¬ nie do urzadzenia z fig. 1. Liniowy uklad pomiaru po¬ jemnosci 5 wspólpracujacy z liniowym czujnikiem po- jemnosciowytm la daje sygnal bedacy liniowa funkcja 2o mierzonej pojemnosci. Sygnal wyjsciowy ze wzmacnia¬ cza 6 jest liniowa funkcja grubosci próbki, gdyz wzmac¬ niacz 6 jest liniowy i wspólpracuje z liniowym czujni¬ kiem 2a do pomiaru grubosci. Uklady 3 i 4 dzialaja jakpoprzednio. 25 Na fig. 3 przedstawione jest urzadzenie, które posia¬ da identyczny tor pomiaru pojemnosci jak w urzadzeniu na fig. 2, natomiast do pomiaru grubosci uzyty jest czujnik indukcyjny dlawikowy 2b szczególnie korzyst¬ ny ze (Wzgledu na jego duza czulosc do pomiaru cien- 30 kich próbek dielektryka. Sygnal .wyjsciowy U2 z wspól¬ pracujacego z czujnikiem 2b liniowego ukladu pomia¬ ru indukcyjnosci 6b jest o charakterystyce hiperfoolicz- nej w postaci A 35 U2 = 35 2 d gdzie A — jest wspólczynnikiem proporcjonalnosci.Linearyzaoje tego sygnalu dokonuje sie we wzmac¬ niaczu 7 z nieliniowa petla ujemnego sprzezenia zwrot¬ nego zawierajaca zmienna impedancje 8, której wartosc jest sterowana na dodatkowym wejsciu sygnalem z li¬ niowego ukladu pomiaru indukcyjnosci 6b, ale po jego uprzednim podniesieniu do kwadratu na kwadratorze 9.Sygnal wyjsciowy z wzmacniacza 7 jest liniowo zalezny od grubosci mierzonej próbki z bledem mniejszym od 1 % jezeli pmin-Ku 100, gdzie pmin — jest minimalna wartoscia sprzezenia zwrotnego, a Ku — jest wzmoc¬ nieniem wzmacniacza 7. Uklad mnozacy 3 i uklad po¬ miarowy 4 dzialaja tak jak w urzadzeniach przedsta¬ wionych na fig. 1 i fig. 2.Urzadzenie przedstawione na fig. 4 dziala tak jak urzadzenie z fig. 1 z tym, ze sygnal wyjsciowy Ui z ukladu do pomiaru pojemnosci 5c jest o charakterysty¬ ce nieliniowej ze wzgledu na nieliniowy charakter pra¬ cy ukladu do pomiaru pojemnosci 5c wspólpracujacego z liniowym czujnikiem pojemnosciowym la i ma postac Ui = £i(Q Linearyzacje tego sygnalu przeprowadza sie we wzmac¬ niaczu parametrycznym 10 o nieliniowej charakterysty- *° ce wzmocnienia Ki majacej postac fi(Q gdzie a — jest wspólczynnikiem proporcjonalnosci. 65 40 45 50 55 Sygnal wyjsciowy z wzmacniacza 10 jest liniowa, funk¬ cja pojemnosci mierzonej próbki. Do pomiaru grubosci zastosowany jest dowolny czujnik 2c o charakterystyce nieliniowej, a korzystnie ze wzgledu na duza czulosc czujnik indukcyjny dlawikowy oraz wspólpracujacy z nim dowolny uklad pomiarowy €e. Sygnal wyjsciowy U2 z ukladu 6c jest nieliniowa funkcja f2 grubosci mierzo¬ nej próbki.U2 = f2(d) Linearyzaoje tego sygnalu przeprowadza sie we wzmac¬ niaczu parametrycznym 7c o nieliniowej charakterysty¬ ce wzmocnienia K2 K2 = b-d f2(d) gdzie b — jest wspólczynnikiem proporcjonalnosci.Sygnal wychodzacy ze wzmacniacza 7c jest liniowa funkcja grubosci mierzonej próbki. Uklad mnozacy 3 i uklad pomiarowy 4 dzialaja jak w urzadzeniach po¬ przednich. PL