Pomiar dielektryczny RF

W klasycznym podejściu do modelu dielektrycznego materiał składa się z atomów. Atomy składają się z dodatniego ładunku punktowego w centrum otoczonego chmurą ładunku ujemnego. Chmura ładunku ujemnego jest związana z dodatnim ładunkiem punktowym. Atomy są oddzielone wystarczającą odległością, aby nie wchodziły ze sobą w interakcje. Jest to reprezentowane przez lewy górny róg rysunku na bok.Uwaga: Pamiętaj, że model nie próbuje powiedzieć nic o strukturze materii. Próbuje jedynie opisać interakcję między polem elektrycznym a materią.

W obecności pola elektrycznego chmura ładunku jest zniekształcona, jak pokazano w prawym górnym rogu powyższego rysunku.

Można to zredukować do prostego dipola przy użyciu zasady superpozycji. Dipol charakteryzuje się momentem dipolowym. Jest to wielkość wektorowa i jest pokazana jako niebieska strzałka oznaczona M. To związek między polem elektrycznym a momentem dipolowym powoduje zachowanie dielektryka. Uwaga: Pokazano, że moment dipolowy wskazuje w tym samym kierunku co pole elektryczne. Nie zawsze jest to poprawne, ale jest to poważne uproszczenie i nadaje się do wielu materiałów.

Po usunięciu pola elektrycznego atom powraca do swojego pierwotnego stanu.

Oznaczanie wilgotności za pomocą pomiaru dielektrycznego

Dielektryk to właściwość elektryczna materiału odnosząca się do jego zachowania pod wpływem pola elektrycznego. Rysunek 1 ilustruje model dielektryczny materiału. Stała dielektryczna lub względny dielektryk odnosi się do łatwości polaryzacji materiału w stosunku do próżni lub, bardziej praktycznie, powietrza. Tabela 1 przedstawia stałe dielektryczne kilku popularnych materiałów. Ogólnie rzecz biorąc, ciała stałe wykazują stosunkowo niskie stałe dielektryczne. Wyjątki obejmują dwutlenek tytanu (110) i wiele tytananów. Woda wykazuje bardzo wysoki dielektryk; znacznie wyższy niż gips i większość innych ciał stałych. W ten sposób pomiary dielektryczne mogą dokładnie rozpoznać bardzo małe ilości wolnej wody. Badania dielektryczne są szczególnie odpowiednie do określania zawartości wilgoci w płytach gipsowych i innych produktach gipsowych. Figura dielektryczna dla samego gipsu jest różna. Jest to funkcja struktury krystalicznej, a w przypadku gotowej płyty funkcja gęstości. W przypadku konkretnego produktu wartości te są zwykle ściśle kontrolowane.

Tabela 1

Pokazano rysunek dla roztworu soli, aby pokazać, jak mało stężenie jonów wpływa na stałą dielektryczną. Należy pamiętać, że w przypadku cieczy stała dielektryczna jest podana dla określonej temperatury. Wpływ temperatury na ciała stałe jest zazwyczaj niewielki, ale na ciecze może być znaczący. Temperatura wewnętrzna płyty gipsowej po suszeniu w pierwszej strefie powinna być bardzo stała około 100°C, pod warunkiem, że płyta nie jest przesuszona. Kompensacja temperatury nie jest zatem wymagana w przypadku zastosowań płyt gipsowych.

Aby zilustrować, w jaki sposób dielektryk odnosi się do wilgoci w gotowej płycie gipsowej, przyjmiemy typową wartość dielektryczną gipsową:

Dielektryk suchej płyty gipsowej = 3,0
Płyta gipsowo-kartonowa zawierająca 0,4% wolnej wilgoci = (0,996 x 3,0) + (0,004 x 80) = 3,308
Płyta gipsowo-kartonowa zawierająca 0,5% wolnej wilgoci = (0,995 x 3,0) + (0,005 x 80) = 3,385

Model ST-2200 jest w stanie łatwo zmierzyć wartości dielektryczne z rozdzielczością 0,01, co odpowiada około 0,013% zawartości wilgoci w płycie gipsowej.

Pomiar dielektryczny częstotliwości rezonansowej

Do określenia stałej dielektrycznej materiału zastosowano wiele metod. Częstotliwość radiowa jest często używana ze względu na jej zdolność do przenikania materiału na znaczną głębokość i możliwość pomiaru bez kontaktu z materiałem. Firma Sensortech Systems opracowała i opatentowała specyficzną metodę oznaczania dielektrycznego przy użyciu częstotliwości radiowej. Jest to znane jako technika częstotliwości rezonansowej.

‍

Rysunek 2 (b)
Równoległy kondensator płytowy z medium dielektrycznym Jak wspomniano wcześniej, dielektryk jest właściwością materiału wpływającą na sposób, w jaki zachowuje się w polu elektrycznym. Równoległy kondensator płytowy pokazano na rysunku 2 (a). Jeśli medium oddzielające płyty jest powietrze lub próżnia, pojemność jest określona przez:

C = (εo ⋅ A)/d

Gdzie:
εo = permitywność wolnej przestrzeni = 8.854 x 10-12
A = Powierzchnia płyty
d = odległość separacji płyt

Gdy medium dielektryczne oddziela płyty jak na rysunku 2 (b), pojemność staje się:

C = (εo ⋅ εr ⋅ A)/d

Gdzie:
εr = stała dielektryczna

Zatem pojemność jest wprost proporcjonalna do stałej dielektrycznej materiału w polu elektrycznym.

C = K ⋅ εr

Równoległe czujniki pojemności płytowej są rzadko stosowane w zastosowaniach przemysłowych; preferowane są czujniki jednostronne.

‍

‍

Rysunek 3 (a) przedstawia schematyczne przedstawienie równoległego kondensatora płytowego pokazującego jednolite linie strumienia elektrycznego, z wyjątkiem krawędzi, gdzie występuje frędzle. Pole frędzlowe jest generalnie niepożądane w kondensatorze, ale w jednostronnym czujniku pojemności jest jedynym użytecznym polem.

Rysunek 3 (b) przedstawia przekrój poprzeczny czujnika płaskiego, najczęściej stosowanego w zastosowaniach płyt gipsowo-kartonowych. Centralny element propaguje pole elektryczne do uziemionych płyt bocznych. Niewielka część pola znajduje się bezpośrednio między elektrodami, ale większość to pole grzywkowe używane do penetracji płyty. Rysunek 4 przedstawia zdjęcie płaskiego czujnika.

‍

Elektrycznie czujnik, czasami nazywany anteną, jest po prostu kondensatorem. Analogia elektryczna produktu gipsowego sama w sobie jest pojemnością o równoległej rezystancji. Rezystancja lub przewodnictwo reprezentuje przewodnictwo jonowe lub straty dielektryczne w płycie.

‍

‍

Rysunek 5 (a) przedstawia schemat elektryczny produktu sprzężonego z czujnikiem pojemnościowym. Pojemność szczeliny powietrznej (Ca) łączy produkt (Cp) z czujnikiem (Cs) i dlatego musi być utrzymywana na stałym poziomie. Montaż czujnika między rolkami przenośnika, rozmieszczonymi być może 6 mm poniżej płaszczyzny rolek, zapewnia stałą pojemność sprzęgła, pod warunkiem, że rolki są rozsądnie prawdziwe. Pojemność może być połączona jako jedna (CT), która, choć matematycznie niepoprawna, może być w uproszczeniu przedstawiona jako CT = Cs+Cp.

Rysunek 5 (b) ilustruje sieć rezonansową utworzoną przez pojemność czujnika równolegle z pojemnością produktu, również równolegle z cewką (L). Ta sieć ma unikalną częstotliwość rezonansową, przy której reaktancja indukcyjna anuluje reaktancję pojemnościową, a impedancja sieci jest maksymalna. Impedancja w rezonansie jest w rzeczywistości rezystancją (Rp).

‍

‍

Sieć rezonansowa jest napędzana z odpowiedniego sygnału RF przez czysty stały rezystor (Ro), jak pokazano na rysunku 6 (a). Wraz ze wzrostem częstotliwości sieć jest przede wszystkim indukcyjna z wiodącym kątem fazowym. W rezonansie wszystkie reaktywne składniki anulują się, a obwód jest czysto rezystancyjny. W rezonansie amplituda sygnału w sieci rezonansowej jest funkcją tylko Ro, Rp i amplitudy sygnału napędowego. Ro i Rp zachowują się jak prosty dzielnik potencjału.

Zastosowanie precyzyjnej pętli blokady fazowej do regulacji częstotliwości sygnału w celu utrzymania zerowego kąta fazy w rezystorze Ro zapewnia, że sieć jest zawsze w rezonansie.

Częstotliwość rezonansowa definiuje się jako:

fo = 1/[2π√ (dł. x CT)]

ST-2200 mierzy tę częstotliwość do rozdzielczości 32-bitowej. Zastrzeżony algorytm pomiarowy łączy częstotliwość czujnika z dwiema częstotliwościami odniesienia, aby uzyskać wartość dielektryczną, która jest zasadniczo niezależna od temperatury otoczenia i starzenia się komponentów.

Powstały surowy dielektryk może być postrzegany jako funkcja pojemności czujnika (z produktem) i precyzyjnych kondensatorów referencyjnych. Wyeliminowane są indukcyjność i bezstronna pojemność.

Wilgoć jest wprost proporcjonalna do surowego dielektryka.

Biorąc pod uwagę zależność liniową, przyrząd może być teraz skalibrowany na podstawie danych analitycznych, aby pasował do funkcji liniowej w postaci:

Wilgotność = a x D+b

Ponieważ pojemność CT jest kompozytem zarówno czujnika, jak i produktu, konieczne jest usunięcie wpływu pojemności czujnika. Osiąga się to poprzez pomiar pojemności czujnika, gdy nie ma produktu (Dz) i odejmowanie tego od przyszłych pomiarów w podobny sposób jak tarowanie wagi. Ta czynność nazywa się „pre-zero” i powinna być wykonywana okresowo, aby skompensować zmiany anteny i nagromadzenie produktu na antenie.