DE1957361A1 - Kapazitaetsmesseinrichtung fuer dielektrische Materialien mit sehr hohem Verlustfaktor - Google Patents

Description

K 931

Kett Eleotrio Laboratory, 8-1, Minaai-Magomo-l-ohome, Ota-ku, Iokyo / Japan

Kapazitätsmeaseinriohtung für dieloktriaohe Materialien mit sehr hohem Verlustfaktor.

Die Erfindung betrifft eine Kapazitatomeoseinrioiitung für dielektrisohe Materialien mit äusserst hohem Verlustfaktor, mit einem Primürkreis, welcher von einem Abstimmkreis gebildet ist, der mit einem Phasendiskriminatorkreis veroehen ist, weloher elektromagnetisch oder elektrostatisch mit einem Hoohfrequenz-Sohwingkreis stabiler Frequenz gekoppelt ist, und mit einem zweiten Kreis, welcher von einem Reihenresonanzkreis ^obildet ist, der elektromagnetisch mit einer Spule in dem Primärkreis gekoppolt ist, wobei zwei Iloooproben, deren Kapazitäten zu messen sind, parallel zu einer Kapazität bezw. einer Induktivität gesohal- tet sind» welche beide Bestandteile dos Sekundär-

009826/U90 . "

/ " · BAD

kreises sind, und mit einem geeiohten veränderbaren Mehrfachkondensator, der parallel zu den boidon Elementen gesohaltet ist, ao da 33 er einstellbar ist, um die Messung der Kapazitäten der iloosproben mittels eineo Sub3titutionsvcrfahrons zu bewirken.

Ein Problem, welohera imraor beim I-Ieaccn dor Dielelctrizitätaeigensohaften von Materialien ait extrem hohem Verlustfaktor, wie Holz oder Con, der eine Menge V/asoer enthält, Guiuai, das eine groaae Menge Kohlenstoff© erhält, versohiedone elolctrolytisohe Lösungen usw., begegnet wird, int die genaue Messung der spezifischen Dielektrizitätokonstnnto eines solchen Materials, nämlich die Messung der elektrostatischen Kapazität eines -Materials von gegebener Grosso. .

Palis eine elektrostatische Kapazität aittols eine3 Abstimmverfahreno bei hoher Frequenz ^caessen warden soll, wenn ein äquivalenter paralleler Widerstand der Messprobe einen Wert von 100 bi3 1000 0hm annimmt, sinkt der Q-Wert dos Abstiamkreisod" unter und maoht dadurch das Messen der Kapazität sehr sohwlerig·

009 826/U90

BAD

Ein Gegenstand dor Erfindung besteht darin, ein genaues Messen der elektrostatischen Kapazität von Materialien, mit hohem Verlustfaktor zu ermöglichen*

Die Erfindung bringt eine bemerkenswerte Wirkung mit oich, die darin besteht, da^a uie elektroatutlooho Kapazität eines I-Iateriula mit hoheu Verlustfaktor unabhängig von dem V/ert der Vidersjtandskomponento des I-iaterials selbst gennu goraesson werden kann.

Weitere Vorteile ergeben eioh auu der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an eiiiuca Ausführunjjsbei- epiel anhand der beigefügten Zeichnung.

In der Zeiohnung zeigt:

Pit;.lt?eiu Schaltbild Qiner KapczitLi-j^aesooinrichtunL, fUr diolektrisohe I'iatorialien mit Lo:ica Verlustfaktor, welche zur Durchführung der Lri'indunö geeignet ist,

Pig.Ib oina Ersatzschaltung eine3 SclainuärkroiDO3_f mit dem dio llessproben zu verbinden sind,

Pig.2b oin Spannungs-Velctordiograpa in einen Priaärkreia, wenn die l-Iossproben nicht mit doa Sekundärkreiß verbunden sind,

C09826/U.90

BAD ORIGINAL

Pig.2b ein Spannungs-Vektordiagramm in dom Primärkreis, wenn die Messproben mit dem Sekundärkrei's verbunden sind,

Piß.5a einen Kapazitäta-Zweigstromkreis in dem Sekundärkreis, und

Pig. feinen Induktivitäts-Zweigetromlcrels in dem Sekundärkreis.

Unter Bezugnahme auf Pig.la ist mit OSC ein Hoohfrequenzoszillator stabiler Prequenz bezeiohnet, und die Symbole I₀ und C₀ bilden einon AusgangB-Oszillator schwingkreis. Ein Kreis, der durch eine Anzahl Symbole 1 - 1 - 0 - L bezeiohnet ist und elektromagnetisch mit I₀ über die kleine Spule l_o gekoppelt ist, bildet einen Abstimmkreis auf der Primärseite· Zwei Spannungen e_A und e„, v/elohe in dem Anzeigekreis über entsprechende elektromagnetische Kopplungen mit einer Spule im Oszillatorsohwingkreic· und in der Spule 1 in dem Primärkreis induziert sind, haben einen Phasenunterseheid von 90°. Deshalb i3t in dem Palle, dass der Sekundärkreic geöffnet oder auf die Prequenz der Primärquelle abgestimmt ist, ein Vektordiagramm dee Anzeigekreiseo auf der Primärseite gemäss Pig.2a vorhanden, so dass der Wert des Ausgangsstromes I des Phasendislcriminatorkreioes gleioh Hull ist.

0098 2 6/U90

BAD ORIGINAL

Ißt dagegen der Sekundärkreis auf die iiuollenfrequonz f abgestimmt, so wird, wenn der Koeffizient der Gegeninduktion zwiachen L und l_o mit M₀ und ein äquivalenter Reihenwiderstand dca -Sokundärkroises durch r_Ä "bezeichnet sind, wie dies in Pig.l"b in der Primärseite gezeigt iot_f sein Widerstandswert um den Betrag a/f /r erhöht, wogegen sein Reaktanzwert Überhaupt nicht vorändert wird. Wenn der Sekundärkreis abgestimmt iot, wird nur der Widerstandawert geändert, wobei der Reaktanzwert auf der Priraärseito unverändert bleibt. Wenn jedoch die induzierte üpannung e„ geändert wird, wird der Phasenuntercchied zwischen den beiden induzierten Spannungen e und e bei 90° wie vorher aufrechterhalten, so dass der Auogangsstrom i auoh Hull ist. Es sei nun angenoia-ώοη, dass der Kapazitätswert der Solomdärseite duroh einen kleinen Betrag +^C von seinem Wert variiert ist, wenn er abgestimmt iat; dann i3t die Änderung^L in L in der Primärseito:

λ L

Die Änderung 4 L verursacht, dass sich die Phase von β_χ über einen Winkel θ verschiebt_? wie dies in Pig.2 gezeigt ist, so dass ein Unterschied zv/isohen den Eingangsapannungen zu V₁ und V₂ in dem Phasen-

- 6 0.0 9 8 26/U90

BAD ORIGINAL

diskrixninatorlcroia und daduroh ein Ausgang erzeugt wird.

Bei einem Messvorgang wird zuerst lecli^lioh die Primäraeite eingestellt, um sie auf die Frequenz f abzustimmen, wodurch der Ausgangsatrom l_rr Null goiaaoht wird; dann wird der Sekundärkreis axt einem Schalter S geschlossen und an f duroh Einstellung von C ari£eglichen, woduroh ebenfalls der Ausgangsatrora I liull

ß wird. Wenn die beiden Schalter S₁ und S₂ gleichzeitig geachlosaen werden, um zwei Proton R und C_v mit hohem Verlustfaktor parallel zu C₂ (C₂^' C₁) bezw. Lp (Lp^ ^h ) ^2U schalton, wird an dem Phasondiskriminatorkreis ein Ausgang I„. erzeugt. Wenn die entsprechenden Kondensatoren C2 unu C^ gleichzeitig duroh eine Abnahme, weiche gleich C_ ist, duroh ihrο moohanisch vorbundone Konstruktion vorkleinort worcion, ist der Ausgangostrom I._T wieder auf i-iull zurückzufUliren. Damit kann der Wert von C aus den Abnahmen von C₂ lind C^fp unabhängig von dem Viert für' Il erhalten V7erden. Di© Anordnung ist so, dass die Kapazität in C₁ und C₂ (C₂ ^β C₂₂ + C₂₁) und die Induktivität in L₁ und L₂ in dem zweiten Kreis geteilt wird und verhindern soll, dass der Q-Vert des zweiten Kroiooa aufgrund des geringen V/iderotandsv/crtes Ε_χ abnimat. Weiterhin beruht die Messung von O^ durch eine HuIlabgleiohmethode auf der Grundlage eine3 Substitutions verfahrene , wobei Messprobon gleichzeitig mit L₂ und C₂ verbunden sind, auf den folgonden Prinzipien, welche die Grundlage der Anwendung der Mesovorriohtung bilden.

00 98.26/UQO,

BAD ORIGINAL

E3 sei in Pig.3 eine Kkapazitätszuaahne mit 4 C gosohen von den Enden S₁ und Tp ·

Die Kapazitätseunahme ist von R un-J. CJ verursacht,

X. Λ

die parallel mit C« gesohaltct 3ind. Dann wird Λ C ausgedruckt duroh: . ,.

Xn dor Gleiohung 2 bszeiohnet das erste Glied die eohoinbare Kapasitätszunahme cufgruuci dor Zul'ügung des Widerstandes R, das zweite Glied eine ßolohe aufgrund der Zufügung der Kapazität C_x, und, wenn 0_ · O ist, versohwindet das zweite Slied, wodurch die βoheinbare Kapazitätszunahme lediglich aufgrund von R_x gehalten wird. Wenn die Üunahcie der eoheinbaren Kapazität dos ersten Gliedes ledi^lion aufgrund von R_x vollständig aufgehoben werden aplltc, kann der Wert von C duroh Variation von &o unafchängig von dem Kert vond R_v genossen werden, und eine Mesaprobe, welohe parallel zu Lp geschaltet ist, dient diesem Zweok.

00 9826/US O

BAD

V/enn dio Mossprobe nicht damit verbunden ißt, ist in Pig. 3b eine äquivalente Induktivität Ιι_β eines Teiles des Kreises, welcher parallelgesohaltet ist, duroh L « ^-^ gegeben. Gleichzeitig

ist eine äquivalente Induktivität L*_e in dem Pull, dass die duroh die Symbole R„ und C bezeichnete

J» X

Probe damit verbunden ist, gegeben duroh

L ■ . ι-*

Demzufolge, wenn 4 L_ eine geringe Änderung der äquivalenten Induktivität aufgrund der damit ver bundenen Messprobe bezeichnet« wird Λ L_Q ausge drückt als

Wenn .die Ausdrücke für L· und L_, die bereits oben erhalten worden sind, in die obige Gleichung eingesetzt werden, 1st δ L. gegeben durcht

-9 -

00 9 826/ U90

J-Cs^L₇ (c'+ ς«)

Auf der „rechten Seite der obigen Gleichung (2) bezoiöh net daa ©rate Glied die Induktionsabnahiae entapreehond dem zugefügten E , und das zweite Glied die Indubtivitätesunahme entsprechend dem augefügteii 0 ,

Venn 0„ mittels einas Subetitutionovorfahrona ges

messen werden soll, wird der variable Kondensator auf den Betrag der angewachsenen Kapazität reduziert, und CL kann duroh die Grosse der reduzierton Kapazität gemessen werden, während in diesem Falle . die gesamte Kapazität des zweiten Kreisen gleichgehalten -wird, als /Brenn 0 noch nicht angesohlossoii ist.

Palis die Messprobe parallel zu I^ geschaltet ist, um C^f2 auf den Wert 0_χ su reduzieren, ist im Ergebnis gleich dem, wenn man CL glriieh Null werden lässt. So versohwindet auf der rechtone Seite der Gleiohung (3) das zweite Glied, und es verbleibt lediglich diö Induktivitätsabnahme aufgrund des zugefügton Widerstandes H„. WEM diese Induktivitätsabnahme mit

•4I»_or bezeichnet ist, ist sie durch folgende Gloiohungen gegebent

.-- 10 -

00 9826/ U9 0

. BAD

- ^L₂, CD (fa (<*-«*>L

ίϊ

In ähnlicher Weise versohwindet in dem falle, dass die MeBsprobe parallel zu O₂ geschaltet ist, wenn Co auf den Betrag 0 reduziert iot, v/obai auf die reohte Seite der Gleichung (2) Bejauc genommen wird, das zweite Glied, und lediglich die Zunahme der sohoinbaren Kapazität aufgrund des "zugefügten Wider Standes R„, weloher dem ersten Glied entspricht, verbleibt. Da die. Gesamtkapazität deο Sekundärkreises nioht geändert ist, naohdem die Substitu-* tion vorgenommen ist, wenn diese Kapazitätszunahme durch C bezeichnet ist, wird sie aus dar Gleiohung () abgeleitet und duroh die folgenden Gleiohung gegebens

C₄+Ci J+ ^(C,+Cz)

- 11 -

009826/1A9Q

BAD

„.-

-11 -

Wenn nun die Wirkungen vonA L_ö„ in der Gleichung (4) und Δ O in der Gleiohung (5) eich vollständig ge geneinander aufheben sollten, kann der Einfluss des Widerstandes E bei der !^kapazitätsmessung eliminiert werden.

Um der obengenannten Bedingung zu genügen, sollte fol gende Beziehung eingehalten werden:

wob·!

/I- Cj

Duroh Einsetzen der Gleichungen (4·) und (5) für Δ I<_er und 0 in die Gleiohung (6) erhält mans

- 12 -

0 0 9 8 26 / 1 k 9 0

Sie obige G-leiohung kann in die folgende Gleichung abgewandelt werden«

Ύ * (7)

Als eine Bedingung» um die Gleichung 7 zu erhalten, sollte folgende Beziehung bestehent

(8)

_{: (9)} ν

Pie Oleiohung (9) kann duroh eine Näherung folgendermassen vereinfacht Werdens

"- 13 -.

009826/ίΑ90

Ί* , vorausgesetzt 0_g O₁"^⁵* (9^f)

Andererseits ist die Abstiiainbedingung des Sekundärkreiaea gegeben duroh

² (I + I₀) (O₈ + G) - 1 . . (10)

Aua den Gleiohungen (8), (9)' und (10) ergibt aion;

Dann ergibt sioh. aus den Gleichungen (O) und (11) :

* (12)

i ⁰I⁺C₂

Wenn der Sekundärkreis der Kapazitätame3seinriohtung so aufgebaut ist» dass die Kreiakonatanten angenom-Toen werdon, um so den Bedingungen der Gleichungen

009826/U90

- 14 -

(9) und (12) gerecht zu werden, kann die Kapazität Ο_χ einer Messprobe durch eine ITullabgleichinethode auf der Basis eines Subatitutioneverfahreno unabhängig von dem Wert des Widerstandes R_x genau gemessen werden.

Experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass die Vorrichtung gemäs3 Erfindung die Kapazität 0_χ unabhängig von deine Wert des Widerstandes R_x bis
zu einem Ausmass von 50 Ohm bei einer Frequenz
von 2 MHz messen kann.

Patentanspruch ι

- 15 -009826/ 1A9Q

BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. Patentanspruchι

   KapazitätameBseinrichtung für dielektrisohe Haterialion mit sehr hohem Verlustfaktor, daduroh gekennzeichnet, dass ein Priaärkreis vorgesehon ist, welcher von einem Abstimmkreis gebildet ist, der als Mesekreie für oiuo kleine Reaktanz arbeitet und mit einem Pliascndiakriiainetorkreia veraohen ist, der elektromagnetisch oder elektre-Btatiech mit einem Hoohfroquensoszillatorschwitiukreie stabiler Frequenz gekoppelt ist, dass'ein Sekundärkreis vorgesehen ist, welcher von einem Reihenresonanzkreis gebildet ist, der elektro-

   -I

   magnetisoh mit einer Spule in dem Prinärkrois gekoppelt ist, wobei Kapazitäten C₁ una C₂ und Induktivitäten L₁ und L₂* vräLche Elemente des Sekundärkreiseß sind, miteinander in Reihe geschultet sind, und ein veränderbarer Kondensator 0' ₂ parallel zu L₂ geschaltet ist, wobei die Konstanten dieser Elemente den folgenden Bedingungen genügent

   ⁴Le² M⁰I ⁺ °2V" ^{λ und}

   wobei L_rt ·, e

   .O₁ +O₉ * 1 -O

   - 16 -

   009 8 26/ U9Q

   BAD ORIGINAL

   C₂ » (10 - 20) . C₁ mid L₁ = (10 - 20) . L_?. lot, dass sviGi identische Mesoproban, ■ C?ι·οα Kapazitäten zu messen ßind, parallel au O^ bay/. Lp
   Gosoiialtet sind, wobei die Jinderu^sca uer
   baren B.ealctanz aufgrund der V/idsrstäaao ai-jaer Messproben göSGiieinanacr aui'^ehoueii. oind, und
   das3 oin geeichtor, veränderbarer Mehri'aohhondoiioator (Cpo "" ^^fp^ P-ralloi zu ciaer anderen Kapazität Cp₁ bezw» dem Element L_n r,e,ochaltot
   iat, so dasa er einstellbar ist, u.j do ο He ο eon dor Kapazitäten der Meoaprobon mit Ilili'e eines Substitutionsverfahrons zu bewirlccn.