Mesure diélectrique RF

Dans l'approche classique du modèle diélectrique, un matériau est composé d'atomes. Les atomes sont constitués d'une charge ponctuelle positive au centre entourée d'un nuage de charge négative. Le nuage de charge négative est lié à la charge ponctuelle positive. Les atomes sont séparés par une distance suffisante pour ne pas interagir les uns avec les autres. Ceci est représenté par le coin supérieur gauche de la figure de côté.Remarque : N'oubliez pas que le modèle n'essaie pas de dire quoi que ce soit sur la structure de la matière. Il s'agit simplement de décrire l'interaction entre un champ électrique et la matière.

En présence d'un champ électrique, le nuage de charge est déformé, comme indiqué en haut à droite de la figure ci-dessus.

Cela peut être réduit à un simple dipôle en utilisant le principe de superposition. Un dipôle est caractérisé par son moment dipolaire. Il s'agit d'une quantité vectorielle représentée par la flèche bleue étiquetée M. C'est la relation entre le champ électrique et le moment dipolaire qui détermine le comportement du diélectrique. Remarque : Il est montré que le moment dipolaire pointe dans la même direction que le champ électrique. Ce n'est pas toujours correct, mais c'est une simplification majeure, et cela convient à de nombreux matériaux.

Lorsque le champ électrique est supprimé, l'atome revient à son état d'origine.

Detérivation de l'humidité par mesure diélectrique

Le diélectrique est la propriété électrique d'un matériau liée à son comportement lorsqu'il est soumis à un champ électrique. La figure 1 illustre le modèle diélectrique d'un matériau. La constante diélectrique ou diélectrique relative fait référence à la facilité avec laquelle un matériau se polarise par rapport au vide ou, plus concrètement, à l'air. Le tableau 1 montre les constantes diélectriques de quelques matériaux courants. En général, les solides présentent des constantes diélectriques relativement faibles. Les exceptions incluent le dioxyde de titane (110) et de nombreux titanates. L'eau présente un diélectrique très élevé, beaucoup plus élevé que le gypse et la plupart des autres solides. Ainsi, la mesure diélectrique permet de résoudre avec précision de très faibles quantités d'eau libre. Les tests diélectriques sont particulièrement adaptés pour déterminer la teneur en humidité des plaques de plâtre et autres produits en gypse. Le chiffre diélectrique du gypse lui-même varie. Elle est fonction de la structure cristalline et, dans le cas du carton fini, de la densité. Pour un produit donné, ces valeurs sont normalement contrôlées de près.

Tableau 1

La figure d'une solution saline est montrée pour montrer à quel point la constante diélectrique est peu affectée par la concentration en ions. Notez que pour les liquides, la constante diélectrique est donnée pour une température spécifique. L'effet de la température sur les solides est généralement faible, mais il peut être significatif sur les liquides. La température interne d'un panneau de gypse après le séchage de la première zone doit être très constante autour de 100 °C, à condition que le panneau ne soit pas trop séché. La compensation de température n'est donc pas requise pour les applications de plaques de plâtre.

Pour illustrer le lien entre le diélectrique et l'humidité dans un panneau de gypse fini, nous supposerons une valeur diélectrique typique du gypse de :

Sec Gypse Panel Dielectric = 3,0
Panneau de gypse contenant 0,4 % d'humidité libre = (0,996 x 3,0) + (0,004 x 80) = 3 308
Panneau de gypse contenant 0,5 % d'humidité libre = (0,995 x 3,0) + (0,005 x 80) = 3 385

Le modèle ST-2200 est facilement capable de mesurer les valeurs diélectriques avec une résolution de 0,01, ce qui équivaut à environ 0,013 % de teneur en humidité dans un panneau de gypse.

Mesureur diélectrique de fréquence de résonance

De nombreuses méthodes ont été utilisées pour déterminer la constante diélectrique d'un matériau. La radiofréquence est souvent utilisée pour sa capacité à pénétrer un matériau à une profondeur importante et à pouvoir effectuer des mesures sans contact avec le matériau. Sensortech Systems a développé et breveté une méthode spécifique de détermination diélectrique par radiofréquence. C'est ce que l'on appelle la technique de la fréquence de résonance.

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Figure 2 (b)
Condensateur à plaques parallèles avec milieu diélectrique Comme indiqué précédemment, le diélectrique est une propriété du matériau qui affecte la façon dont il se comporte dans un champ électrique. Un condensateur à plaques parallèles est illustré à la figure 2 (a). Si le milieu séparant les plaques est l'air ou le vide, la capacité est donnée par :

C = (eo ⋅ A) /d

Où :
o = permitivité de l'espace libre = 8 854 x 10-12
A = Surface de la plaque
d = distance de séparation des plaques

Lorsqu'un milieu diélectrique sépare les plaques comme dans la figure 2 (b), la capacité devient :

C = (o ⋅ r ⋅ A) /d

Où :
θ r = dielectric constant

Ainsi, la capacité est directement proportionnelle à la constante diélectrique du matériau dans le champ électrique.

C = K ⋅ et r

Les capteurs capacitifs à plaques parallèles sont rarement utilisés pour les applications industrielles ; les capteurs unilatéraux sont préférés.

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La figure 3 (a) est une représentation schématique d'un condensateur à plaques parallèles présentant des lignes de flux électriques uniformes, sauf sur les bords où se produisent des franges. Le champ périphérique n'est généralement pas souhaitable dans un condensateur, mais dans un capteur de capacité unilatéral, c'est le seul champ utile.

La figure 3 (b) est une vue en coupe transversale d'un capteur planaire, le plus souvent utilisé pour les applications de plaques de plâtre. Un élément central propage un champ électrique vers les plaques latérales mises à la terre. Une petite partie du champ se situe directement entre les électrodes, mais la majeure partie est le champ périphérique utilisé pour pénétrer dans la carte. La figure 4 montre une photographie d'un capteur planaire.

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Sur le plan électrique, le capteur, parfois appelé antenne, est simplement un condensateur. L'analogie électrique du produit en gypse est elle-même une capacité à résistance parallèle. La résistance ou la conductance représente la conductance ionique ou la perte diélectrique dans la carte.

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La figure 5 (a) montre le schéma électrique du produit couplé au capteur capacitif. La capacité de l'entrefer (Ca) couple le produit (Cp) au capteur (Cs) et doit donc être maintenue constante. Le montage du capteur entre les rouleaux du convoyeur, espacés peut-être de 6 mm sous le plan des rouleaux, garantit une capacité de couplage constante, à condition que les rouleaux soient raisonnablement vrais. Les capacités peuvent être combinées en une seule (CT) qui, bien que mathématiquement incorrecte, peut être représentée de manière simpliste comme CT = Cs + Cp.

La figure 5 (b) illustre le réseau de résonance formé par la capacité du capteur en parallèle avec la capacité du produit également en parallèle avec l'inducteur (L). Ce réseau possède une fréquence de résonance unique à laquelle la réactance inductive annule la réactance capacitive et l'impédance du réseau est maximale. L'impédance à la résonance est en fait une résistance (Rp).

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Le réseau résonnant est piloté à partir d'un signal RF approprié via une résistance fixe pure (Ro), comme le montre la figure 6 (a). À mesure que la fréquence augmente, le réseau est tout d'abord inductif avec un angle de phase principal. À la résonance, tous les composants réactifs s'annulent et le circuit est purement résistif. À la résonance, l'amplitude du signal à travers le réseau résonnant est fonction uniquement de Ro, Rp et de l'amplitude du signal de commande. Ro et Rp se comportent comme un simple diviseur de potentiel.

L'utilisation d'une boucle à verrouillage de phase de précision pour ajuster la fréquence du signal afin de maintenir un angle de phase nul aux bornes de la résistance Ro garantit que le réseau est toujours en résonance.

La fréquence de résonance est définie comme suit :

pour = 1/ [2π √ (L x CT)]

Le ST-2200 mesure cette fréquence avec une résolution de 32 bits. Un algorithme de mesure breveté combine la fréquence du capteur avec deux fréquences de référence pour produire une valeur diélectrique essentiellement indépendante de la température ambiante et du vieillissement des composants.

Le diélectrique brut qui en résulte peut être considéré comme une fonction de la capacité du capteur (avec le produit) et des condensateurs de référence de précision. L'inductance et la capacité parasitaire sont éliminées.

L'humidité est directement proportionnelle au diélectrique brut.

Étant donné une relation linéaire, l'instrument peut désormais être étalonné à partir de données analytiques pour s'adapter à une fonction linéaire de la forme :

Humidité = a x D + b

La capacité CT étant un composite du capteur et du produit, il est nécessaire d'éliminer l'influence de la capacité du capteur. Ceci est réalisé en mesurant la capacité du capteur lorsqu'aucun produit n'est présent (Dz) et en la soustrayant des mesures futures de la même manière que pour le tarage d'une balance. Cette action est appelée « Pre-zéro » et doit être effectuée périodiquement pour compenser les changements d'antenne et l'accumulation de produit sur l'antenne.