Dielektrische HF-Messung

In der klassischen Herangehensweise an das dielektrische Modell besteht ein Material aus Atomen. Die Atome bestehen aus einer positiven Punktladung im Zentrum, die von einer Wolke negativer Ladung umgeben ist. Die negative Ladungswolke ist an die positive Punktladung gebunden. Die Atome sind so weit voneinander entfernt, dass sie nicht miteinander interagieren. Dies wird durch die obere linke Ecke der Abbildung dargestellt.Hinweis: Denken Sie daran, dass das Modell nicht versucht, etwas über die Struktur der Materie zu sagen. Es versucht nur, die Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Feld und Materie zu beschreiben.

Bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes ist die Ladungswolke verzerrt, wie oben rechts in der Abbildung oben gezeigt.

Dies kann nach dem Superpositionsprinzip auf einen einfachen Dipol reduziert werden. Ein Dipol ist durch sein Dipolmoment gekennzeichnet. Dies ist eine Vektorgröße und wird als blauer Pfeil mit der Bezeichnung M dargestellt. Es ist die Beziehung zwischen dem elektrischen Feld und dem Dipolmoment, die das Verhalten des Dielektrikums hervorruft. Hinweis: Es wird gezeigt, dass das Dipolmoment in dieselbe Richtung wie das elektrische Feld zeigt. Das ist nicht immer richtig, stellt aber eine große Vereinfachung dar und ist für viele Materialien geeignet.

Wenn das elektrische Feld entfernt wird, kehrt das Atom in seinen ursprünglichen Zustand zurück.

Bestimmung der Feuchtigkeit durch dielektrische Messung

Dielektrikum ist die elektrische Eigenschaft eines Materials, das sich auf sein Verhalten bezieht, wenn es einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Abbildung 1 zeigt das dielektrische Modell eines Materials. Die Dielektrizitätskonstante oder das relative Dielektrikum bezieht sich auf die Leichtigkeit, mit der ein Material relativ zu einem Vakuum oder, praktischer gesagt, zu Luft polarisiert. Tabelle 1 zeigt die Dielektrizitätskonstanten einiger gängiger Materialien. Im Allgemeinen weisen Feststoffe relativ niedrige Dielektrizitätskonstanten auf. Zu den Ausnahmen gehören Titandioxid (110) und viele Titanate. Wasser weist einen sehr hohen Dielektrizitätswert auf, der viel höher ist als bei Gips und den meisten anderen Feststoffen. Daher können bei der Messung der Dielektrizität auch sehr geringe Mengen an freiem Wasser genau bestimmt werden. Die dielektrische Prüfung eignet sich besonders zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von Gipskartonplatten und anderen Gipserzeugnissen. Der Dielektrizitätswert für Gips selbst variiert. Er ist eine Funktion der Kristallstruktur und, im Falle einer fertigen Platte, eine Funktion der Dichte. Für ein bestimmtes Produkt werden diese Werte normalerweise streng kontrolliert.

Tabelle 1

Die Abbildung für eine Salzlösung soll zeigen, wie wenig die Dielektrizitätskonstante von der Ionenkonzentration beeinflusst wird. Beachten Sie, dass für Flüssigkeiten die Dielektrizitätskonstante für eine bestimmte Temperatur angegeben wird. Die Temperatureinwirkung auf Feststoffe ist in der Regel gering, auf Flüssigkeiten kann sie jedoch erheblich sein. Die Innentemperatur einer Gipskartonplatte sollte nach dem Trocknen in der ersten Zone sehr konstant bei etwa 100 °C liegen, sofern die Platte nicht zu stark getrocknet ist. Für Anwendungen mit Gipskartonplatten ist daher keine Temperaturkompensation erforderlich.

Um zu veranschaulichen, wie sich Dielektrikum und Feuchtigkeit in einer fertigen Gipskartonplatte verhalten, gehen wir von einem typischen Dielektrizitätswert von Gips aus:

Dielektrikum für trockene Gipskartonplatten = 3,0
Gipskartonplatte mit 0,4% freier Feuchtigkeit = (0,996 x 3,0) + (0,004 x 80) = 3,308
Gipskartonplatte mit 0,5% freier Feuchtigkeit = (0,995 x 3,0) + (0,005 x 80) = 3,385

Das Modell ST-2200 ist problemlos in der Lage, Dielektrizitätswerte mit einer Auflösung von 0,01% zu messen, was einem Feuchtigkeitsgehalt von etwa 0,013% in einer Gipskartonplatte entspricht.

Messung der dielektrischen Resonanzfrequenz

Zahlreiche Methoden wurden verwendet, um die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen. Radiofrequenz wird häufig verwendet, weil sie ein Material bis zu einer beträchtlichen Tiefe durchdringen und messen kann, ohne das Material zu berühren. Sensortech Systems hat eine spezielle Methode zur Bestimmung der Dielektrizität mithilfe von Radiofrequenzen entwickelt und patentiert. Dies wird als Resonanzfrequenztechnik bezeichnet.

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Abbildung 2 (b)
Parallelplattenkondensator mit dielektrischem Medium Wie bereits erwähnt, ist Dielektrikum eine Materialeigenschaft, die das Verhalten in einem elektrischen Feld beeinflusst. Ein Parallelplattenkondensator ist in Abbildung 2 (a) dargestellt. Handelt es sich bei dem Medium, das die Platten trennt, um Luft oder ein Vakuum, ist die Kapazität wie folgt gegeben:

C = (o ⋅ A) /d

Wo:
δo = Permitivität des freien Speicherplatzes = 8,854 x 10-12
A = Fläche der Platte
d = Abstand der Platten

Wenn ein dielektrisches Medium die Platten wie in Abbildung 2 (b) trennt, wird die Kapazität:

C = (o ⋅ r ⋅ A) /d

Wo:
δr = Dielektrizitätskonstante

Somit ist die Kapazität direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante des Materials im elektrischen Feld.

C = K ⋅ r

Parallele Plattenkapazitätssensoren werden selten für industrielle Anwendungen verwendet; einseitige Sensoren werden bevorzugt.

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Abbildung 3 (a) ist eine schematische Darstellung eines Parallelplattenkondensators, der gleichmäßige elektrische Flusslinien zeigt, außer an den Rändern, an denen Streifenbildung auftritt. Das Streifenfeld ist in einem Kondensator im Allgemeinen unerwünscht, bei einem einseitigen Kapazitätssensor ist es jedoch das einzig nützliche Feld.

Abbildung 3 (b) zeigt einen Querschnitt eines planaren Sensors, der am häufigsten für Gipskartonanwendungen verwendet wird. Ein zentrales Element überträgt ein elektrisches Feld auf die geerdeten Seitenplatten. Ein kleiner Teil des Feldes befindet sich direkt zwischen den Elektroden, aber der größte Teil ist das Randfeld, mit dem die Platine durchdrungen wird. Abbildung 4 zeigt ein Foto eines planaren Sensors.

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Elektrisch gesehen ist der Sensor, manchmal auch Antenne genannt, einfach ein Kondensator. Die elektrische Analogie zum Gipsprodukt ist selbst eine Kapazität mit parallelem Widerstand. Der Widerstand oder die Leitfähigkeit gibt die Ionenleitfähigkeit oder den dielektrischen Verlust in der Platine an.

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Abbildung 5 (a) zeigt den elektrischen Schaltplan des an den kapazitiven Sensor gekoppelten Produkts. Die Luftspaltkapazität (Ca) verbindet das Produkt (Cp) mit dem Sensor (Cs) und muss daher konstant gehalten werden. Die Montage des Sensors zwischen Förderrollen in einem Abstand von etwa 6 mm unter der Rollenebene gewährleistet eine konstante Kopplungskapazität, sofern die Rollen einigermaßen genau zueinander passen. Die Kapazitäten können zu Eins (CT) kombiniert werden, was zwar mathematisch falsch ist, aber vereinfachend als CT = Cs + Cp dargestellt werden kann.

Abbildung 5 (b) zeigt das Resonanznetzwerk, das durch die Sensorkapazität parallel zur Produktkapazität, ebenfalls parallel zum Induktor (L), gebildet wird. Dieses Netzwerk hat eine einzigartige Resonanzfrequenz, bei der die induktive Reaktanz die kapazitive Reaktanz aufhebt und die Netzwerkimpedanz am höchsten ist. Die Impedanz bei Resonanz ist eigentlich der Widerstand (Rp).

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Das Resonanznetzwerk wird von einem geeigneten HF-Signal über einen reinen Festwiderstand (Ro) angesteuert, wie in Abbildung 6 (a) dargestellt. Bei steigender Frequenz ist das Netzwerk zunächst induktiv und weist einen führenden Phasenwinkel auf. Bei Resonanz löschen sich alle reaktiven Komponenten und der Stromkreis ist rein ohmsch. Bei Resonanz ist die Signalamplitude im Resonanznetzwerk nur eine Funktion von Ro, Rp und der Amplitude des Antriebssignals. Ro und Rp verhalten sich wie ein einfacher Potenzialteiler.

Die Verwendung einer präzisen Phasenregelschleife zur Anpassung der Signalfrequenz, um den Nullphasenwinkel über dem Widerstand Ro aufrechtzuerhalten, stellt sicher, dass das Netzwerk immer in Resonanz ist.

Die Resonanzfrequenz ist definiert als:

f = 1/[2δ√ (L x CT)]

Der ST-2200 misst diese Frequenz mit einer 32-Bit-Auflösung. Ein proprietärer Messalgorithmus kombiniert die Sensorfrequenz mit zwei Referenzfrequenzen, um einen Dielektrizitätswert zu ermitteln, der im Wesentlichen unabhängig von Umgebungstemperaturen und der Alterung der Komponenten ist.

Es ist ersichtlich, dass das resultierende Rohdielektrikum eine Funktion der Sensorkapazität (mit Produkt) und der Präzisionsreferenzkondensatoren ist. Induktivität und Streukapazität werden eliminiert.

Die Feuchtigkeit ist direkt proportional zum Rohdielektrikum.

Bei einer linearen Beziehung kann das Instrument nun anhand analytischer Daten so kalibriert werden, dass es einer linearen Funktion der folgenden Form entspricht:

Feuchtigkeit = a x D + b

Da die Kapazität CT sowohl aus dem Sensor als auch aus dem Produkt besteht, muss der Einfluss der Sensorkapazität entfernt werden. Dies wird erreicht, indem die Sensorkapazität gemessen wird, wenn kein Produkt vorhanden ist (Dz), und dieses von zukünftigen Messungen abgezogen wird, ähnlich wie beim Tarieren einer Waage. Dieser Vorgang wird als „vor Null“ bezeichnet und sollte in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden, um Antennenveränderungen und Produktansammlungen auf der Antenne auszugleichen.