Medición dieléctrica de RF

En el enfoque clásico del modelo dieléctrico, un material está formado por átomos. Los átomos constan de una carga puntual positiva en el centro rodeada por una nube de carga negativa. La nube de carga negativa está unida a la carga puntual positiva. Los átomos están separados por una distancia suficiente para que no interactúen entre sí. Esto se representa con la parte superior izquierda de la figura a un lado.Nota: Recuerde que el modelo no intenta decir nada sobre la estructura de la materia. Solo trata de describir la interacción entre un campo eléctrico y la materia.

En presencia de un campo eléctrico, la nube de carga se distorsiona, como se muestra en la parte superior derecha de la figura anterior.

Esto se puede reducir a un dipolo simple utilizando el principio de superposición. Un dipolo se caracteriza por su momento dipolar. Esta es una cantidad vectorial y se muestra como la flecha azul etiquetada como M. Es la relación entre el campo eléctrico y el momento dipolar lo que da lugar al comportamiento del dieléctrico. Nota: Se muestra que el momento dipolar apunta en la misma dirección que el campo eléctrico. Esto no siempre es correcto, pero es una simplificación importante y es adecuado para muchos materiales.

Cuando se elimina el campo eléctrico, el átomo vuelve a su estado original.

Determinación de la humedad mediante medición dieléctrica

El dieléctrico es la propiedad eléctrica de un material relacionada con su comportamiento cuando está sujeto a un campo eléctrico. La figura 1 ilustra el modelo dieléctrico de un material. La constante dieléctrica o dieléctrica relativa se refiere a la facilidad con la que un material se polariza en relación con el vacío o, más prácticamente, con el aire. La tabla 1 muestra las constantes dieléctricas de algunos materiales comunes. En general, los sólidos muestran constantes dieléctricas relativamente bajas. Las excepciones incluyen el dióxido de titanio (110) y muchos titanatos. El agua presenta un dieléctrico muy alto, mucho más alto que el yeso y la mayoría de los otros sólidos. Por lo tanto, la medición dieléctrica puede resolver con precisión cantidades muy bajas de agua libre. Las pruebas dieléctricas son particularmente adecuadas para determinar el contenido de humedad en las placas de yeso y otros productos de yeso. La cifra dieléctrica del yeso en sí varía. Es una función de la estructura cristalina y, en el caso del tablero acabado, una función de la densidad. Para un producto en particular, estos valores suelen estar estrictamente controlados.

Tabla 1

La figura de una solución salina se muestra para demostrar lo poco que la concentración de iones afecta a la constante dieléctrica. Tenga en cuenta que para los líquidos, la constante dieléctrica se da para una temperatura específica. El efecto de la temperatura en los sólidos suele ser pequeño, pero en los líquidos puede ser significativo. La temperatura interna de una placa de yeso después del secado en la primera zona debe ser muy constante, alrededor de 100 °C, siempre que la placa no esté demasiado seca. Por lo tanto, la compensación de temperatura no es necesaria para las aplicaciones de placas de yeso.

Para ilustrar cómo el dieléctrico se relaciona con la humedad en una placa de yeso terminada, asumiremos un valor dieléctrico de yeso típico de:

Dieléctrico de placa de yeso seco = 3.0
Placa de yeso que contiene un 0,4% de humedad libre = (0,996 x 3,0) + (0,004 x 80) = 3,308
Placa de yeso que contiene un 0,5% de humedad libre = (0,995 x 3,0) + (0,005 x 80) = 3,385

El modelo ST-2200 es capaz de medir fácilmente valores dieléctricos con una resolución de 0,01, equivalente a aproximadamente el 0,013% de contenido de humedad en una placa de yeso.

Medición dieléctrica de frecuencia resonante

Se han usado numerosos métodos para determinar la constante dieléctrica de un material. La radiofrecuencia se usa a menudo por su capacidad para penetrar un material a una profundidad sustancial y poder medir sin entrar en contacto con el material. Sensortech Systems desarrolló y patentó un método específico de determinación dieléctrica mediante radiofrecuencia. Esto se conoce como técnica de frecuencia resonante.

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Figura 2 (b)
Condensador de placas paralelas con medio dieléctrico Como se indicó anteriormente, el dieléctrico es una propiedad del material que afecta la forma en que se comporta en un campo eléctrico. En la figura 2 (a) se muestra un condensador de placas paralelas. Si el medio que separa las placas es aire o vacío, la capacitancia viene dada por:

C = (eo ⋅ A)/d

Dónde:
o = permitividad del espacio libre = 8,854 x 10-12
A = Área de la placa
d = distancia de separación de las placas

Cuando un medio dieléctrico separa las placas como en la figura 2 (b), la capacitancia se convierte en:

C = (μo ⋅ μr ⋅ A)/d

Dónde:
μr = constante dieléctrica

Por lo tanto, la capacitancia es directamente proporcional a la constante dieléctrica del material en el campo eléctrico.

C = K ⋅ r

Los sensores de capacitancia de placas paralelas rara vez se utilizan en aplicaciones industriales; se prefieren los sensores de un solo lado.

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La figura 3 (a) es una representación esquemática de un condensador de placas paralelas que muestra líneas de flujo eléctrico uniformes, excepto en los bordes donde se producen franjas. El campo marginal generalmente no es deseable en un condensador, pero en un sensor de capacitancia de un solo lado, es el único campo útil.

La figura 3 (b) es una vista en sección transversal de un sensor plano, que se usa con mayor frecuencia para aplicaciones de placas de yeso. Un elemento central propaga un campo eléctrico a las placas laterales conectadas a tierra. Una pequeña proporción del campo se encuentra directamente entre los electrodos, pero la mayor parte es el campo marginal que se utiliza para penetrar en la placa. La figura 4 muestra una fotografía de un sensor plano.

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Desde el punto de vista eléctrico, el sensor, a veces denominado antena, es simplemente un condensador. La analogía eléctrica del producto de yeso es en sí mismo una capacitancia con resistencia paralela. La resistencia o conductancia representa la conductancia iónica o la pérdida dieléctrica en la placa.

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La figura 5 (a) muestra el esquema eléctrico del producto acoplado al sensor capacitivo. La capacitancia del entrehierro (Ca) acopla el producto (Cp) al sensor (Cs) y, por lo tanto, debe mantenerse constante. El montaje del sensor entre los rodillos transportadores, a una distancia de unos 6 mm por debajo del plano de los rodillos, garantiza una capacitancia de acoplamiento constante, siempre que los rodillos sean razonablemente correctos. Las capacitancias se pueden combinar como una sola (CT), lo que, si bien es matemáticamente incorrecto, puede representarse de manera simplista como CT = Cs + Cp.

La figura 5 (b) ilustra la red resonante formada por la capacitancia del sensor en paralelo con la capacitancia del producto también en paralelo con el inductor (L). Esta red tiene una frecuencia de resonancia única en la que la reactancia inductiva cancela la reactancia capacitiva y la impedancia de la red es máxima. La impedancia en resonancia es en realidad resistencia (Rp).

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La red resonante se impulsa desde una señal de RF adecuada a través de una resistencia fija pura (Ro) como se muestra en la figura 6 (a). A medida que aumenta la frecuencia, la red es ante todo inductiva con un ángulo de fase inicial. En el momento de la resonancia, todos los componentes reactivos se cancelan y el circuito es puramente resistivo. En el momento de la resonancia, la amplitud de la señal a través de la red resonante es una función únicamente de Ro, Rp y de la amplitud de la señal de accionamiento. Ro y Rp se comportan como un divisor de potencial simple.

El uso de un bucle de bloqueo de fase de precisión para ajustar la frecuencia de la señal y mantener un ángulo de fase cero en la resistencia Ro garantiza que la red esté siempre en resonancia.

La frecuencia resonante se define como:

fo = 1/ [2π √ (L x CT)]

El ST-2200 mide esta frecuencia con una resolución de 32 bits. Un algoritmo de medición patentado combina la frecuencia del sensor con dos frecuencias de referencia para producir un valor dieléctrico que es esencialmente independiente de la temperatura ambiente y del envejecimiento de los componentes.

Se puede ver que el dieléctrico bruto resultante es una función de la capacitancia del sensor (con el producto) y de los condensadores de referencia de precisión. Se eliminan la inductancia y la capacitancia parásita.

La humedad es directamente proporcional al dieléctrico bruto.

Dada una relación lineal, el instrumento ahora se puede calibrar a partir de datos analíticos para que se ajuste a una función lineal de la forma:

Humedad = a x D + b

Dado que la capacitancia CT es una combinación del sensor y del producto, es necesario eliminar la influencia de la capacitancia del sensor. Esto se logra midiendo la capacitancia del sensor cuando no hay ningún producto (Dz) y restándola de las mediciones futuras de forma similar a como se hace con una báscula. Esta acción se denomina «antes de la puesta a cero» y debe realizarse periódicamente para compensar los cambios de antena y la acumulación de producto en la antena.