DE2943198A1 - Vorrichtung zum messen der elektrischen impedanz von insbesondere teilchenfoermigen materialien - Google Patents
Vorrichtung zum messen der elektrischen impedanz von insbesondere teilchenfoermigen materialienInfo
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Description
PATENTANWALT
DIPL.-ING. GERD COMMENTZ
7 STUTTGART I
25. Oktober 1979 B 2902 P
EUR-CONTROL KALLE AB, SÄFFLE (SCHWEDEN)
Vorrichtung zu« Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der elektrischen
Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien. Dabei soll vordergründig die Möglichkeit für ein getrenntes
Messen der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten solcher Materialien bestehen.
Die für das Messen solcher elektrischer Kenngrößen berücksichtigten
Materialien sind beispielsweise Holzschnitzel, Sägemehl oder Getreidekörner, aber auch Kohlestücke und erzhaltige Konzentrate,
so daß insoweit keine bestimmten Beschränkungen vorliegen. Dies gilt auch für die Durchführung der Messungen, die
entweder fortlaufend vorgenommen werden können, indem die zu messenden Materialien kontinuierlich an einer Elektrode vor-
I 30020/0086
OMMiBZDASK; STUTTCAHr NR. 7751017 POSTSCHECKAMT STlTTTGAiT NR. 15780 ■ TELBPONISCHS AUSKÜNFTE SIND UNVBaBtNDlICH
294 315) fi
beigeführt werden, die ein Bauteil einer solchen Meßvorrichtung bildet. Die Messungen können andererseits auch diskontinuierlich
an entnommenen Materialproben durchgeführt werden, die dann in einen geeigneten Probenbehälter eingelegt werden,
in dem dann ebenfalls eine ein Bauteil der Meßvorrichtung bildende
Elektrode angeordnet ist. Zum Stand der Technik kann insoweit auf die US-PS'en 3 781 671, 3 824 461 und 3 992 665 hingewiesen
werden, die für konstruktive Einzelheiten solcher Meßvorrichtungen eine ergänzende Beschreibung der vorliegenden Erfindung
ergeben.
Bei den bekannten Meßvorrichtungen ist mithin in aller Regel ein zur Aufnahme einer Materialprobe ausgebildetes Gefäß vorhanden,
das eine geerdete Elektrode aufnimmt oder selbst als diese geerdete Elektrode fungiert, die dabei dann beispielsweise
eine offene Kastenform mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt. In das Innere dieser kastenförmigen
Elektrode ist eine Aktivelektrode eingelegt, die normal durch eine Metallplatte bereitgestellt ist und parallel
zu den Seitenwänden angeordnet wird, so daß sich ein einheitliches elektrisches Feld innerhalb einer solchen kastenförmigen
Elektrode ausbilden kann. Für diese Elektrode, die noch Füll- und Entnahmeöffnungen für die Materialien aufweist,
kann ein konstantes Füllvolumen zumindest für die Dauer der Messung einer Materialprobe vorausgesetzt werden.
Bei den bekannten Meßvorrichtungen ist weiterhin ein Signalerzeuger
vorhanden, der ein Prüfsignal einer bestimmten Fre-
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quenz vorzugsweise im Megahertz-Bereich erzeugt. Dieses Prüfsignal wird an eine Brückenschaltung abgegeben, die
an die Aktivelektrode und an Erdspannung angeschlossen ist. Wenn die Meßvorrichtung in Betrieb ist, erzeugt die Brükkenschaltung
ein hochfrequentes Signal, das folglich an die Aktivelektrode abgegeben wird, womit diese ein hochfrequentes
elektrisches Feld im Inneren des Gehäuses und damit auch in der von diesem Gehäuse aufgenommenen Materialprobe
erzeugt. Durch die elektrische Impedanz der Probe wird dann eine Brtickenverstimmung erhalten, womit die Brückenschaltung
am Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Phase in Relation zu derjenigen des Prüfsignals und dessen
Amplitude mithin in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz bzw. der reziproken Impedanz der Materialprobe.
Dieses Ausgangssignal der Brückenschaltung wird einem steuerbaren
Gleichrichter zugeleitet, und zwar notfalls erst dann, wenn die Materialprobe einen Temperaturausgleich erfahren
hat sowie ggf* auch eine Vereinheitlichung eventueller
Schwankungen ihrer Massedichte. Dem Gleichrichter ist dafür ein Bezugssignal zugeleitet, dessen Frequenz gleich
derjenigen des Prüfsignals ist und dessen Phase in einer vorbestimmten Beziehung zu derjenigen des Prüfsignals
steht. Steht das Bezugssignal in Phase mit dem Prüfsignal,
dann liefert der Gleichrichter ein Gleichstrom-Signal, das in Beziehung steht zu der Konduktanz-Komponente bzw. der
Leitfähigkeit der gemessenen elektrischen Admittanz. Steht
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das Bezugssignal aber um 9o ' außer Phase zu dem Prüfsignal, dann liefert der Gleichrichtsr ein Gleichstrom-Signal, das
in Beziehung steht zu der Suszeptanz-Komponente bzw. des dielektrischen Koeffizienten der gemessenen elektrischen Admittanz.
Für den Meßvorgang der elektrischen Impedanz können bei bestimmten
teilchenförmigen Materialien, wie beispielsweise Holzschnitzeln, sehr niedrige dielektrische Koeffizienten
erscheinen, womit auch entsprechend niedrige Werte der Kapazität in der Größenordnung von zum Beispiel nur 60 bis 4oo
Pikofarad bei andererseits sehr hohen Werten der Leitfähigkeit in der Größenordnung von immerhin bis zu 2o.ooo Mikroohms,
das heißt einem Widerstand von 5o Ohms, erhalten werden. Um diese Werte des dielektrischen Koeffizienten und der
Leitfähigkeit genau und präzise messen zu können, müssen die Prüf- und Bezugssignale eine sehr hohe Phasenstabilität haben
und dabei auch relativ frei von jeder Art von Oberschwingung sein. Auch muß die Phasenbeziehung zwischen dem Bezugssignal und dem Prüfsignal sowie dem Ausgangssignal der Brükkenschaltung
äußerst präzise gesteuert werden können, damit im Ausgangssignal der Brückenschaltung die Konduktanz- und
Suszeptanz-Komponenten eindeutig voneinander unterschieden und dann präzise gemessen werden können. Es hat sich bis
jetzt als äußerst schwierig erwiesen, mit den bekannten Meßvorrichtungen unter solchen Umständen genaue Meßßergebnisse
zu erhalten, weil es damit insbesondere nicht möglich war, eine genügende Phasenstabilltät zu erreichen und für
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ORIGINAL INSPECTED
die Dauer der Messung auch aufrecht zu erhalten, den Anteil der Oberschwingungen niedrig zu halten und die Phasenbeziehung
exakt zu steuern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung
zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien bereitzustellen, die es
insbesondere erlaubt, die Leitfähigkeit und den dielektrischen Koeffizienten mit einer vergleichbar größeren Meßgenauigkeit
zu messen. Die beiden Meßwerte sollen dabei insbesondere getrennt meßbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung eine Meßvorrichtung
bereitgestellt, welche die folgenden Merkmale aufweist:
a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals einer vorbestimmten Frequenz fQ;
b) eine auf dieses Prüfsignal ansprechende zweite Einrichtung zur Lieferung eines Ausgangssignals einer
mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei die auf das Prüfsignal bezogene Phase und die Amplitude dieses
AusgangsSignaIs in Beziehung stehen zu dem Meßwert
für die elektrische Admittanz der Materialprobe;
c) eine dritte Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz,
1 3 0 υ 2 0 / 0 0 θ S
wobei diese dritte Einrichtung für die Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei einer vorbestimmten
Frequenz f«^ eingerichtet ist, bei f wesentlich
größer als f,^ , so daß das Bezugssignal aufeinanderfolgend
in Phase und im we sent!
Phase zu dem Prüfsignal steht;
Phase zu dem Prüfsignal steht;
folgend in Phase und im wesentlichen um 9o° außer
d) eine vierte Einrichtung zum Mischen des Ausgangssignals der zweiten Einrichtung und des Bezugssignals,
wobei ein Ausgangssignal erhalten wird, das aufeinanderfolgend in Beziehung steht zu der Leitfähigkeit und
dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe.
Für eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung ist diese Meßvorrichtung
so gestaltet, daß sie die folgenden Merkmale aufweist!
a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals
einer vorbestimmten Frequenz f ;
b) eine zweite Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz,
wobei diese zweite Einrichtung für die aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals
bei der Frequenz f^ eingerichtet ist, bei f wesentlich
größer als f^ , so daß das Bezugssignal bezüglich
des Prüfsignals aufeinanderfolgend im wesentlichen in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase
steht;
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ORIGINAL INSPECTED
c) eine in der Nähe der Materialprobe angeordnete Elektrode;
d) eine Brückenschaltung, die an dem einen von zwei Eingängen über eine dritte Einrichtung mit dieser
Elektrode verbunden ist;
e) eine vierte Einrichtung, mittels der das Prüfsignal an den zweiten Eingang der Brückenschaltung angeliefert
wird, womit an einem Ausgang der Brückenschaltung ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen
Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals und dessen auf das Prüfsignal bezogene Phase und Amplitude
in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der Materialprobe;
f) einen mittels einer fünften Einrichtung an dem einen von zwei Eingängen mit dem Ausgang der
Brückenschaltung verbundenen Mischer;
g) eine sechste Einrichtung, mittels der das Bezugssignal an den zweiten Eingang des Mischers angeliefert
wird, womit an einem Ausgang des Mischers ein zeitmultiplexiertes Ausgangssignal erhalten
wird, das aufeinanderfolgend vier unterschiedliche Gleichstromwerte aufweist, die proportional
sind zu einer positiven Konduktanz-Komponente,
; 3 O J 2 O / O O θ 6
einer positiven Suszeptanz-Komponente, einer negativen Konduktanz-Komponente und einer negativen
Suszeptanz-Komponente der Brückenschaltung.
Die Meßvorrichtung kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung
auch einen Speicher für die Gleichstrom-Signale der vier verschieden hohen Werte umfassen. Für diese Ausbildung
kann dann noch vorgesehen sein, daß die absolute Differenz zwischen den Speicherwerten der ersten und dritten Werthöhe
gebildet wird zur Lieferung eines ersten Ausgangssignals, das proportional zu der Leitfähigkeit der Materialprobe ist. Andererseits
wird die absolute Differenz der Speicherwerte der zweiten und vierten Werthöhe gebildet, um analog ein zweites
Ausgangssignal zu erhalten, das proportional zu dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe ist.
Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den einzelnen Ansprüchen erfaßt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 u. 2 ein Block- und Schaltdiagramm einer Meßvorrichtung zum Messen der elektrischen
Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien gemäß einer bevorzugten Ausführungs.form der Erfindung,
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Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der verschiedenen Wellenformen der Prüf- und Bezugssignale sowie des phasenmodulierten Ausgangssignals
der Brückenschaltung bei der Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2,
Fig. 4 ein Vektordiagramm für das Ausgangssignal
der Brückenschaltung und
Fig. 5 eine Diagramm zur Darstellung der Wellenform des zeitmultiplexierten Ausgangssignals
des Mischers der Meßvorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2.
Die nachfolgend näher beschriebene Meßvorrichtung ist zum Messen
der elektrischen Impedanz einer teilchenförmigen Materialprobe vorgesehen, wobei hier gleichzeitig klarzustellen ist,
daß die Meßvorrichtung auch für andere Materialarten einsetzbar ist, bei denen die elektrische Impedanz außer an einer Materialprobe
auch an einem kontinuierlichen Materialfluß gemessen werden kann.
Bei der Meßvorrichtung ist zunächst ein der Aufnahme einer
Materialprobe dienendes Gefäß 1o verwirklicht, dessen konstruktive
Ausbildung gleich sein kann wie bei den Meßvorrichtungen des Standes der Technik gemäß der US-PS'en 3 781 671, 3 824 461
oder 3 992 665. Es umfaßt mithin eine geerdete Elektrode 12, die
i30 iJ 20/0086
29A3198
in die Gefäßform mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt
verformt ist und in der Mitte eine durch eine Metallplatte gebildete Aktivelektrode ΛU aufnimmt, die so angeordnet
wird, daß sie parallel und im Abstand zu den Seitenwänden des Gefäßes liegt. Dadurch kann sich im Inneren des Gefäßes
ein im wesentlichen einheitliches elektrisches Feld ausbilden, das mithin auch die von dem Gefäß aufgenommene Materialprobe
durchsetzt. Das Gefäß 1o ist weiterhin mit einer im einzelnen
nicht gezeigten Füllöffnung und einer Auslaßöffnung versehen, die so angeordnet sind, daß sich für das Gefäß 1o ein konstantes
Füllvolumen für Jede darin zur Durchführung eines Meßvorgangs anzuordnende Materialprobe ergibt.
Die Aktivelektrode 12 ist an eine Brückenschaltung 16 angeschlossen,
die durch die zu messende elektrische Impedanz der Materialprobe eine Verstimmung erfährt, deren Größe in Beziehung
steht zu dem betreffenden Meßwert. Die Brückenschaltung 16 erhält an einem Eingang 16A ein hochfrequentes Prüfsignal
und liefert an einem Ausgang 16B ein Ausgangssignal, dessen Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals ist und dessen Phase
relativ zu derjenigen des Prüfsignals sowie dessen Amplitude in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz bzw. der
reziproken Impedanz der in dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe
.
Das an dem Eingang 16A der Brückenschaltung 16 angelieferte Prüfsignal wird primär von einem Schwingkreis 18 erhalten,
dessen Ausgangssignal eine sinusförmige Wellenform einer Fre-
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quenz f vorzugsweise im Megahertz-Bereich aufweist. Der
Schwingkreis 18 ist vorzugsweise kristallgesteuert, damit er ein hohes Ausmaß an Frequenz- und Phasenstabilität aufweist
und ein Ausgangssignal liefert, das verhältnismäßig
frei von jeder Art von Oberschwingung ist. Das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 wird an den Eingang eines Phasenverschiebungskreises
2o angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer um 45° der Phase des Ausgangssignals
des Schwingkreises 18 voraneilenden Phase liefert. Auch kann dieser Phasenverschiebungskreis 2o so eingestellt werden, daß
er die Phase des Ausgangssignals um den Wert £0 verändert.
Der Zweck dieser Maßnahme wird später noch näher erläutert. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungskreises 2o wird an
den Eingang eines Verstärkers 22 angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer präzise geregelten Amplitude
liefert. Die Regelgenauigkeit des Verstärkers 22 sollte nicht schlechter sein als etwa - 1#, um damit eine entsprechend genaue
Messung der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe zu erhalten. Die Meßgenauigkeit ist
mithin abhängig von der Amplitudenstabilität des Prüfsignals,
das der Brückenschaltung 16 angeliefert wird.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 22 wird der einen Seite der Primärspule eines Transformators TR1 angeliefert, deren andere
Seite an eine negative Speisespannung -V« angeschlossen ist.
Das maßgebliche Prüfsignal erscheint mithin in der geerdeten Sekundärspule des Transformators TR1, die über ein Abschinnkabel
24 mit der vorzugsweise nahe dem Gefäß 1o angeordneten
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Brückenschaltung 16 verbunden ist. Um die Geräuschaufnahme auf einem Minimum zu halten, ist das Abschirmkabel 24 an seinen
beiden Anschlußenden an die Sekundärspule des Transformators TR.. bzw. an die Brückenschaltung 16 geerdet.
Für einen typischen Anwendungη fall einer solchen Meßvorrichtung
kann die Brückenschaltung 16 in einer doch sehr großen Entfernung von dem Schwingkreis 18 und allen damit unmittelbar
zusammengebauten Vorrichtungsteilen angeordnet sein, so daß das Abschirmkabel 24 eine entsprechende Länge hat, die
folglich nicht vernachlässigbar ist in bezug auf die Wellenlänge des Prüfsignals. Bei einer beispielsweisen Länge von
3o m und mehr des Abschirmkabels 24 muß daher dafür vorgesorgt sein, daß an den Kabelenden eine Impedanz erhalten wird, die
im wesentlichen gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels ist, um so die Ausbildung von stehenden Wellen zu verhindern,
die selbstverständlich eine Verschiebung der Phase und der Amplitude des Prüfsignals verursachen würden. Demgemäß
wird diese Impedanz an dem einen Kabelende auf diejenige des Transformators TR1 abgestimmt, während sie am anderen Kabelende
über zwei Widerstände R1 und Rp erhalten wird, über
die der Anschluß an den Eingang 16A der Brückenschaltung 16 auch geerdet wird. Innerhalb der Brückenschaltung 16 ist der
Eingang 16A andererseits an die jeweilige Basis von zwei Transistoren Q1 und Q2 angeschlossen, womit dieses Anschlußende
des Abschirmkabels 24 an die Brückenschaltung 16 eine Impedanz erhält, die gleich derjenigen der beiden Basen dieser
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Transistoren Q1 und Q2 sowie der Widerstände R1 und R2 ist,
wobei die Impedanzen der Widerstände R1 und R2 auf die Impedanz
des Abschirmkabels abgestimmt werden können.
Bei der Brückenschaltung 16 ist weiterhin der Emitter des
einen Transistors Q1 über einen Widerstand R, an die eine
Seite eines Potentiometers R,- angeschlossen, an dessen andere
Seite der Emitter des Transistors Q2 über einen weiteren
Widerstand R^ angeschlossen ist. An den Abgriff des Potentiometers
Rc ist die negative Speisespannung -Vg angelegt. An
einen gemeinsamen Knotenpunkt des Widerstandes R^ und des
Emitters von dem Transistor Q1 ist ein einstellbarer Kondensator
C1 angeschlossen, der geerdet ist. Andererseits ist an
einen entsprechenden Knotenpunkt des Widerstandes R^ und des
Emitters von dem aideren Transistor Qp die Aktivelektrode
angeschlossen. Ein Widerstand Rg verbindet den Kollektor des
Transistors Q1 mit der einen Seite der Primärspule eines Transformators
TR2, dessen andere Seite über einen Widerstand mit dem Kollektor des Transistors Q2 verbunden ist. Die Primärspule
des Transformators TR2 ist in erste und zweite im
wesentlichen symmetrische Abschnitte geteilt, die in Reihe liegen und einen gemeinsamen mittleren Abgriff haben. Mit
diesem mittleren Abgriff ist ein geerdeter Kondensator C2
verbunden sowie auch ein weiterer Widerstand Rq, über den
der Abgriff dieser Primärspule des Transformators TR2 mit
einer positiven Speisespannung +Vg verbunden ist. Der Transformator
TR2 umfaßt andererseits noch eine einzige Sekundfirspule,
deren eine Seite geerdet und deren andere Seite
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mit demjenigen Ausgang 16B der Briickenschaltung 16 verbunden
ist, an dem das zur Auswertung des Meßergebnisses maßgebliche Ausgangssignal erhalten wird.
Da die zu messende Impedanz im Vergleich zu derjenigen des Abschirmkabels 24 extrem niedrig ist, sind die beiden Transistoren CL und Qp so gewählt, daß sie eine relativ hohe Impedanz
an der Basis und eine relativ niedrige Impedanz an dem Emitter haben, so daß damit die restliche Brückenschaltung 16
eine entsprechende Isolierung gegenüber dem das Prüfsignal liefernden Teil der Meßvorrichtung einschl. dem Abschirmkabel
24 erfährt. Der Widerstand RQ liefert dabei gleichzeitig die
Betriebsspannung für die Kollektoren der beiden Transistoren CL und Q2, die andererseits von dem Kondensator C2 aufrecht
erhalten wird, während dieser Kondensator Cp gleichzeitig
einen geerdeten Stromweg für die Wechselstromsignale darbietet, die in den beiden Abschnitten der Primärspule des Transformators
TRp auftreten. Das über den Transistor Q2 an die
Aktivelektrode 14 gelangende Prüfsignal erzeugt mithin innerhalb des Gehäuses 1o ein hochfrequentes elektrisches Feld, wobei
die an dem Emitter jedes der beiden Transistoren Q^ und
Qp liegende Impedanz bestimmend ist für die Amplitude und die
Phase des jeweiligen Emitterstromes dieser beiden Transistoren und damit auch der Amplitude und der Phase des jeweiligen
Kollektorstromes. Da die Kollektoren der beiden Transistoren Q1 und Q2 mit den gegenüberliegenden Seiten der Primärspule
des Transformators TRp verbunden sind, und da die ersten und zweiten Abschnitte dieser Primärspule im wesentlichen sym-
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metrisch ausgebildet sind und in Reihe liegen, erzeugen folglich gleiche Kollektorströme der beiden Transistoren
Q1 und Q2 zueinander entgegengesetzte InduktionsflUsse in
dem Transformator TR2» womit an dem Ausgang der Brückenschaltung
16 kein Signal erhalten wird, solange sich in dem Gefäß 1o keine Materialprobe befindet. Der Kondensator
C1 und das Potentiometer Rc sind mithin so eingestellt, daß
die Brückenschaltung 16 dann abgeglichen ist, d.h. dieser Abgleich der Brückenschaltung 16 wird folglich mit den gleichen
Kollektorströmen der beiden Transistoren Q1 und Qp erhalten.
Wenn sich andererseits in dem Gefäß 1o eine Materialprobe
befindet, dann erfährt dadurch die Brückenschaltung 16 eine Verstimmung, womit an dem Ausgang 16B ein Signal erhalten
wird, dessen Amplitude und Phase in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der Materialprobe bei einer Frequenzgleichheit
dieses Ausgangssignals mit dem Prüfsignal.
Um- die Komponenten der Konduktanz und der Suszeptanz der gemessenen
elektrischen Admittanz zuverlässig voneinander unterscheiden zu können, wobei diese Komponenten durch die in
dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 16 enthaltenen Informationen über die Amplitude und die Phase bestiemt sind,
muß dieses Ausgangssignal der Brückenschaltung moduliert werden. Für diese Modulation wird ein Bezugssignal einer
mit dem Prüfsignal und damit auch mit dem Ausgangssignal der Brückenschaltung 16 ρ Leichen Frequenz £ benutzt, das
zur Erzielung eines genauen Meßergebnisses folglich ebenso
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29Λ3198
präzise in der Phase und in dar Amplitude gesteuert und
für den damit bezweckten Vergleich in die Nähe der Brückenschaltung
16 angeliefert wird.
Um dieses Bezugssignal zu erhalten, wird das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 auch an den Eingang eines weiteren Phasenverschiebungskreises
31 angeliefert, der ein entsprechendes Ausgangssignal einer Phase erzeugt, die derjenigen des Ausgangssignals
des Schwingkreises 18 um 45° voraneilt. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungskreises 31 wird direkt einem ersten
Signaleingang eines Schalters 26 sowie über einen Inverter 28 auch einem dritten Signaleingang dieses Schalters 26
zugeführt. Das Ausgangssignal des Schwingkreises 18 wird parallel dazu einem anderen Phasenverschiebungskreis 3o zugeleitet,
der ein entsprechendes Ausgangssignal mit einer Phase
liefert, die gegenüber derjenigen des Ausgangssignals des Schwingkreises 18 um 45° verzögert ist. Das Ausgangssignal
des Phasenverschiebungskreises 3o wird einmal direkt einem vierten Signaleingang des Schalters 26 und zum anderen indirekt
über einen Inverter 32 einem zweiten Signaleingang dieses Schalters 26 zugeleitet. Die an die vier Signaleingänge
des Schalters 26 angelieferten Signale stehen daher bezüglich des Prüfsignals in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer
Phase.
Neben dem Schwingkreis 18 ist ein weiterer Schwingkreis 34 vorgesehen, an dessen Ausgang ein Rechtecksignal erhalten
wird, dessen Frequenz vorzugsweise im Hörfrequenzbereich
130020/0006
liegen sollte. Dieses Ausgangssignal des Schwingkreises 34
wird einem Zähler 36 zugeleitet, der vorzugsweise als ein Teilerzähler mit dem Teilungsfaktor 4 ausgebildet ist und
folglich eine Folge von vier Ausgangssignalen in den entsprechenden vier Ausgängen 36A erzeugt, wobei Jedes einzelne
Ausgangssignal eine Dauer gleich der Periode des Ausgangssignals des Schwingkreises 34 hat. Die Ausgänge 36A sind an
vier entsprechende Steuereingänge des Schalters 26 angeschlossen, womit der Schalter 26 die über die anderen Eingänge
in der vorerwähnten Phasenverschiebung bezüglich des Prüfsignals angelieferten Signale in Abhängigkeit davon aufeinanderfolgend
abgeben kann, wie diese Steuereingänge durch den Zähler 36 aufgesteuert werden. Die an dem Schalter 26 erhaltenen
Ausgangssignale haben mithin eine Frequenz f , die gleich derjenigen des Prüfsignals ist, wobei sie sich aufeinanderfolgend
nur in der Phase unterscheiden,d.h. die Ausgangssignale des Schalters 26 stehen bezüglich des Prüfsignals
in Phase sowie um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase, Das überwechsln zwischen diesen einzelnen Phasen geschieht bei
einer relativ niedrigen Frequenz f^ , die bestimmt ist durch
die Widerholungsrate der Ausgangssignale des Zählers 36, wobei die Frequenz f des von dem Schwingkreis 18 erhaltenen
Prüfsignals wesentlich größer ist als diese Frequenz Der Größenunterschied kann beispielsweise den Faktor 1.ooo .
betragen.
Das an dem Ausgang des Schalters 26 erhaltene Ausgangssignal wird dem Eingang eines Verstärkers 38 übergeben, der ein ent-
1 3 0 ! J 2 0 / 0 Q a 6
sprechendes Ausgangssignal liefert, das folglich das maßgebliche
Bezugssignal darstellt. Dieses Bezugssignal wird an die eine Seite der Primärspule eines Transformators TR, übergeben,
dessen andere Seite mit der negativen Speisespannung -Vg
verbunden ist. Die eine Seite der Sekundärspule des Transformators
TR- ist andererseits über einen Kondensator C, geerdet,
während die andere Seite dieser Sekundärspule über ein Abschirmkabel 4o an einen ersten Eingang 42A eines Mischers 42
angeschlossen ist, der sich nahe der Brückenschaltung 16 befindet. Auch bei dem Abschirmkabel 4o sind ähnlich dem Abschirmkabel
24 die beiden K^belenden geerdet, um so zu verhindern, daß das Bezugssignal keine Verschiebung seiner Amplitude
oder seiner Phase relativ zu dem Prüfsignal erfährt. Die beiden Abschirmkabel 24 und 4o sollten im übrigen eine gleiche
Länge haben, um insoweit ebenfalls übereinstimmende Voraussetzungen zu erfüllen. Gleiches trifft auch zu für den Transformator
TR,, der also gleich ausgeführt sein sollte wie der
Transformator TR1, um so auch für die einen Kabelenden übereinstimmende
Eingangsimpedanzen zu erhalten.
Der Anschluß an den Eingang 42a des Mischers 42, der eine für einen doppelten Abgleich geeignete Ausbildung hat, ist
für das Abschirmkabel 4o über einen Widerstand Rq und einen
Kondensator C< geschaffen, die beide in Reihe liegen. Innerhalb
des Mischers 42 ist der Eingang 42A an die eine Seite der Primärspule eines Transformators TR<
angeschlossen, dessen andere Seite geerdet ist. Die Sekundärspule dieses Transformators
TR^ hat ähnlich dem Transformator TRp zwei im wesent-
130020/008B
lichen symmetrisch ausgebildete und in Reihe liegende Abschnitte mit einem mittleren Abgriff, der als Ausgang 42B
des Mischers 42 dient und über einen Kondensator C5 geerdet
ist. Der Ausgang 42B ist über einen Induktor L1 an das Abschirmkabel
4o angeschlossen. Der Ausgang I6B der Brückenschaltung
16 ist andererseits über einen zweiten Eingang 42C an den Mischer 42 angeschlossen, wobei dieser zweite
Eingang 42C mit der einen Seite der Primärspule eines Transformators TRc verbunden ist, dessen andere Seite geerdet
ist. Die Sekundärspule dieses Transformators TRc umfaBt gleichartig wie die Transformatoren TR2 und TR» zwei
symmetrisch ausgebildete und in Reihe liegende Abschnitte mit einem zentralen Abgriff, der aber bei diesem Transformator
TRc direkt geerdet ist. Im übrigen sind die Sekundärspulen
der beiden Transformatoren TR^ und TRc mit vier Dioden D^ bis D^ im Ring geschaltet, wobei in diesem Ringkreis
alle vier Dioden für die Einhaltung einer gleichen Stromrichtung gepolt sind.
Zur Erklärung der Arbeitsweise dieses Mischers 42 sei zunächst vorausgesetzt, daß das Bezugssignal über den Eingang
42A angeliefert worden ist, während gleichzeitig von der Brückenschaltung 16 kein Ausgangssignal an den anderen Eingang
42C angeliefert worden ist. Die beiden Dioden D^ und
Dp vermitteln dann einen Stromweg über die Sekundärspulen
der beiden Transformatoren TR^ und TR,- während der positiven
Halbperioden des Bezugssignals, und derselbe Stromweg
13Q02Q/QQS6
wird andererseits durch die leiden Dioden D3 und D^ während
der negativen Halbperioden des Bezugssignals bereitgestellt. Der Spannungsabfall über jede Sekundärspule der beiden Transformatoren
TR^ und TRc ist dann gleich der Summe der Vorwärtsspannungen
der beiden jeweiligen Dioden D-pD? D2W· D3»
D^, indem diese Dioden dann in Vorwärtsrichtung leiten. Das
über die Sekundärspulen der beiden Transformatoren geleitete
Bezugssignal erfährt dadurch die in Fig.3a mit dem verstärkten Linienzug angedeutete Beschneidung, und da kein Eingangssignal
an dem anderen Eingang 42C des Mischers 42 angeliefert ist, sind folglich die Ströme durch die beiden jeweils
leitenden Dioden D1, D2 bzw. D,, D^ gleich. Mithin
fließt dann kein Strom durch den mittleren Abgriff der Sekundärspule des Transformators TR,, womit auch an dem Ausgang
42B des Mischers 42 kein Ausgangssignal erhalten wird.
Der Ausgang des Mischers 42 ist dann also Null.
Wenn nun das über den Eingang 42A dem Mischer 42 zugeleitete Bezugssignal in Phase steht mit dem Prüfsignal, das der
Brückenschaltung 16 übergeben wird, womit an dem Ausgang 16B der Brückenschaltung 16 ein Ausgangssignal erhalten werden
soll, das bezüglich des eingangsseitigen Prüfsignals bei einer bestimmten Amplitude dne bestimmte Phasenverschiebund
um den Betrag 0S hat, wobei diese Phasenverschiebung
dann auch bezüglich des Bezugssignals gilt, dann fließen solange ungleich große Ströme in den jeweils leitenden Dioden
D1, Dp bzw. D,, D^, wie das überdie Sekundärspule des
Transformators TR,- erscheinende Ausgangssignal der Brücken-
130020/0086
Zl-
schaltung kleiner ist als das über die Sekundärspule des
Transformators TR^ erscheinende abgeschnittene Bezugssignal.
Für die Dauer dieser unterschiedlichen Signalgrößen und also für die Dauer dieser ungleichen Ströme wird folglich
dann an dem zentralen Abgriff der Sekundärspule des Transformators TR- ein Strom erhalten, dessen Frequenz
doppelt so groß ist wie das Ausgangssignal der Brückenschaltung bei einem mittleren Gleichstrompegel, der proportional
zu der Amplitude der einen Komponente des Ausgangssignals der Brückenschaltung ist, die in Phase mit
dem Bezugssignal steht. Es wird hierzu auf die Darstellung in Fig.3c verwiesen, die folglich die aus den Fig.3a und 3b
abgeleitete Wellenform zeigt, die unter solchen Voraussetzungen an dem Ausgang 42B des Mischers 42 erhalten wird.
Die Phase des Bezugssignals ändert sich nun zu derjenigen des Prüfsignals um jeweils 9o° in einzelnen aufeinanderfolgenden
Abständen. Wird insoweit gemäß der Darstellung in Fig.4 das Ausgangssignal der Brückenschaltung als ein
Vektor dargestellt, der eine bestimmte Größe und eine bestimmte Phase 0« in bezug auf die Phase des Prüfsignals
aufweist, dann kann dieser Vektor in eine Konduktanz-Komponente und in eine Suszeptanz-Komponente zerlegt werden.
Die Konduktanz-Komponente steht dabei in Phase und um 18o° außer Phase zu dem Prüfsignal, während die Suszeptanz-Komponente
um 9o° und um ?7o° außer Phase zu dem Prüfsignal steht. Die Konduktanz-Komponente ist weiterhin proportional
zu der Leitfähigkeit (1/R) der gemessenen elektri-
130Ö20/008S
sehen Admittanz, während die Suszeptanz-Komponente proportional
ist zu dem dielektrischen Koeffizienten (jco C) der
gemessenen elektrischen Admittanz ist. Wenn die Phase des Bezugssignals in bezug auf das Prüfsignal aufeinanderfolgend
verschoben wird, dann wird das Ausgangssignal des Mischers 42 bei der relativ niedrigen Frequenz f^ der Ausgangssignale
des Zählers 36 zeitmultiplexiert und erhält folglich einen Gleichstrom-Pegel, der aufeinanderfolgend proportional
ist zu den Werten +(1/R), +(jCO C), -(1/R) und -(JcOC). Dieses zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers
42 beinhaltet folglich die gleich großen positiven und negativen Werte der Leitfähigkeit (1/R) und des dielektrischen
Koeffizienten (jcoC), womit jede nachteilige Einwirkung
auf die Vorspannung der Verstärker vermieden wird, die in dem Netz nachgeschaltet sind. Der Kondensator C1-
und der Induktor C1 filtern aus dem Ausgangssignal des Mischers
die 2fQ-Komponente heraus, womit dem Abschirmkabel
ein zeitmultiplexiertes Signal der in Fig.5 gezeigten Wellenform übergeben vird, dessen Frequenz f^ mithin bestimmt ist
durch diejenige der Ausgangssignale des Zählers 36 und dessen Amplitude aufeinanderfolgend proportional ist zu der Amplitude
des Ausgangssignals der Brückenschaltung während der vier aufeinanderfolgenden Phasenpositionen des Bezugssignals.
Der Kondensator Cc und der Induktor L^ verhindern daneben,
daß das Bezugssignal dem Mischer 42 über seinen Ausgang 42B zugeleitet wird, während der Kondensator C^ verhindert, daß
das Ausgangssignal des Mischers 42 wieder über den Eingang 42A dem Mischer zugeleitet vird. Der Widerstand Rq ist dabei
130020/0086
im übrigen so gewählt, daß der Mischer 42 bezüglich des Abschirmkabels
4o eine Impedanz erhält,die im wesentlichen gleich derjenigen dieses Abschirmkabels ist, um so alle unerwünschten
Signalabweichungen zu verhindern, die weiter oben vermerkt wurden.
Das zeitmultiplex!erte Ausgangssignal des Mischers 42 wird
über das Abschirmkabel 4o an den Transformator TR, rückgeleitet, womit dessen Sekundärspule dieses Signal noch zusätzlich
zu dem Bezugssignal erhält, das ihr von der Primärspule übergeben wird. Dieses Bezugssignal wird durch einen Induktor
Lp und einen geerdeten Kondensator Cg ausgefiltert, die
in Reihe an einen Knotenpunkt des Kondensators C, angeschlossen sind, der nur so groß gewählt ist, daß er für eine Erdung
des Bezugssignals ausreicht und keinen nachteiligen Einfluß auf das zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers 42 hat.
Dieses zeitmultiplexierte Ausgangssignal des Mischers 42 wird dann nach erfolgter Ausfilterung des Bezugssignals einem Potentiometer
R1o übergeben, mit dem es folglich möglich ist, die
Größe dieses zeitmultiplexierten Ausgangssignals über eine
entsprechende Einstellung seines Abgriffs einzustellen,und die so eingestellte Signalgröße wird dann zwei Multiplizierschaltungen
44 und 46 zugeleitet.
Die Meßwerte der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten
sind Schwankungen unterworfen,abhängig von der Temperatur der in dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe. Es
ist daher ein Temperaturf liier 48 vorgesehen, der in einer
130020/0085
Anordnung vorzugsweise nahe des Gefäßes 1o ein Ausgangssignal liefert, das folglich in Beziehung steht mit einem mittleren
Meßwert der Temperatur der Materialprobe. Dieses Ausgangssignal des Temperaturfühlers 48 wird durch einen Verstärker
5o verstärkt und mittels zweier Potentiometer 52 und 53 auf Werte eingestellt, die erste und zweite Temperatur-Korrektursignale
ergeben, die an entsprechende Steuereingänge der beiden Multiplizierschaltungen 44 und 46 angeliefert
werden. Vorzugsweise umfaßt jede dieser beiden Multiplizierschaltungen 44 und 46 eine Vierquadrant-Multiplizierschaltung
einschließlich eines Transkonduktanz-Funktionsverstärkers, der den Wert jedes Quadranten des zeitmultiplexierten
Ausgangssignals des Mischers 42 mit dem entsprechenden
Temperatur-Korrektursignal multipliziert, womit ein Ausgangssignal
erhalten wird, das mithin hinsichtlich aller Temperaturschwankungen der Materialprobe ausgeglichen ist. Diese
Temperaturkorrektur kann dabei für die Meßwerte der Leitfähigkeit und des dielektrischen Koeffizienten unterschiedlich sein
und wird also durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 5o und auch durch die Einstellung der beiden Potentiometer 52 und
53 bestimmt.
Der Meßwert des dielektrischen Koeffizienten unterliegt weiteren Schwankungen in Abhängigkeit von der Massedichte der in
dem Gefäß 1o aufgenommenen Materialprobe. Es ist daher weiterhin
ein Gewichtsfühler 54 vorzugsweise in der Ausbildung einer Lastzelle vorhanden, die ein in Beziehung zu dem Gewicht der
Materialprobe stehendes Ausgangssignal liefert. Da das Gefäß
T 20020/0096
1o ein konstantes FüHvolumen aufweist, ist dieses Ausgangssignal
folglich auch zu der Massedichte der Materialprobe in Beziehung gesetzt. Dieses Ausgangssignal wird dann mittels
eines Verstärkers 56 verstärkt und mittels eines Potentiometers 58 auf eine Größe eingestellt, die ein entsprechendes Korrektursignal
ergibt, das einem Steuereingang einer weiteren Multiplizierschaltung 6o angeliefert wird. Die Multiplizierschaltung
6o erhält über einen anderen Eingang das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 46 und umfaßt ebenfalls vorzugsweise
eine Vierquadrant-Multiplizierschaltung mit einem Transkonduktanz-Funktionsverstärker,
der den Wert jedes Quadranten des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers mit diesem
Korrektursignal der Massedichte multipliziert. Das Ausmaß der für die Massedichte vorgesehenen Korrektur ist mithin bestimmt
durch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 56 und die
Einstellung des Potentiometers 58.
Der Ausgang der Multiplizierschaltung 44 ist mit den Eingängen zweier Probe- und Haltekreise 62 und 64 verbunden, und
gleichartig ist der Ausgang der Multiplizierschaltung 6o mit
den Eingängen zweier weiterer Probe- und Haltekreise 66 und 68 verbunden. Jeder dieser Probe- und Haltekreise 62,64,66
und 68 ist außerdem für eine Anlieferung der Ausgangssignale des Zählers 36 eingerichtet, wobei zum Beispiel der eine Probe-
und Haltekreis 62 an den einen Ausgang 36A des Zählers 36 angeschlossen ist, an dem die +(1/R)-Komponente des zeitmultiplexierten
Ausgangssignals des Mischers 42 erhalten wird. Die drei anderen Probe- und Haltekreise 64,66 und 68 sind
130 υ 20/0086
daher an die drei anderen Ausgänge 36A des Zählers 36 angeschlossen,
an denen die anderen Komponenten des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers erhalten werden, also die
Komponenten mit den Phasen -(1/R), +(JaC) und -(^coC). Die Ausgänge
der beiden Probe- und Haltekreise 62 und 64 sind an einen nichtumkehrenden Eingang und an einen umkehrenden Eingang eines
Punktionsverstärkers 7o angeschlossen, und in entsprechender Weise sind die Ausgänge der beiden Probe- und Haltekreise 66
und 68 an einen nichtumkehrenden Eingang und an einen umkehrenden Eingang eines weiteren Funktionsverstärkers 72 angeschlossen,
Mithin wird an dem Ausgang des Punktionsverstärkers 7o ein Signal erhalten, das proportional zu der absoluten Differenz zwischen
den beiden Komponenten +(1/R) und -(1/R) des zeitmultiplexierten Ausgangssignals des Mischers ist, die in den Probe-
und Haltekreisen 62 und 64 gespeichert werden. Das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 7o ist mithin proportional
zu der Leitfähigkeit (1/R) der gemessenen elektrischen Admittanz. Gleichartig wird durch den Funktionsverstärker 72
eine Differenzbildung unter den Komponenten +(JoC) und -(jtJC)
des zeitmultiplex!erten Ausgangssignals des Mischers vorgenommen,
die in den Probe- und Haltekreisen 66 und 68 gespeichert werden, womit das Ausgangssignal dieses Funktionsverstärkers
proportional ist zu dem dielektrischen Koeffizienten (JgC) der gemessenen elektrischen Admittanz.
Zur Eichung der vorbeschriebenen Meßvorrichtung wird zunächst die Brückenschaltung 16 abgeglichen, solange noch keine Materialprobe
in dem Gehäuse 1o aufgenommen ist. Es wird dann
130020/0086
ein in der Zeichnung nicht näher gezeigtes Prüfgehäuse über
eine Schalteinrichtung und eine Anzahl Impedanzen bekannter Größe und bekannten Typs zwischen die Aktivelektrode 12 und
die geerdete Elektrode 14 des Gehäuses 1o geschaltet, so daß es anschließend möglich ist, durch eine wiederholte Betätigung
der Schalteinrichtung die einzelnen Impedanzen aufeinanderfolgend zum Anschluß an das Gehäuse 1o zu bringen. Da trotz
der verschiedenen Vorkehrungen Phasenverschiebungen in der Meßvorrichtung
auftreten können, ist das Prüfgehäuse auch noch mit einer reinen Widerstandsimpedanz und mit einer reinen Blindimpedanz
versehen, die aufeinanderfolgend an das Gehäuse 1o angeschlossen
werden, womit die Phase des Prüfsignals mittels des Phasenverschiebungskreises 2o um den Betrag Δ0 so eingestellt
werden kann, daß das Ausgangssignal der Brückenschaltung, das an den Eingang 42C des Mischers 42 angeliefert wird, aufeinanderfolgend
in Phase und um 9o° außer Phase mit der ersten Phasenposition des Bezugssignals steht, das an den Eingang 42A
des Mischers 42 angeliefert wird. Ist diese Einstellung der Phase erfolgt, dann wird vorzugsweise unter Verwendung des
Potentiometers R1 Q eine solche Einstellung auch der Amplitude
vorgenommen, daß das für die Leitfähigkeit maßgebliche Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 7o proportional zu der Leitfähigkeit
einer der Impedanzen des Prüfgehäuses ist und weiterhin auch das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers 72
eine entsprechende Proportionalität zu dem bekannten dielektrischen Koeffizienten dieser einen Impedanz hat. Mittels der
Potentiometer 52,53 und 58 kann schließlich auch noch eine Eichung der Korrektursignale für die Temperatur und die Massedichte
vorgenommen wfrd^ Q / q q
23-
Die wesentlichsten Merkmale der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung
können abschließend nochmals wie folgt zusammengefaßt werden. Es wird einmal durch einen Schwingkreis ein Ausgangssignal
der Frequenz f bereitgestellt, dessen Phaee im wesentlichen um 45° verschoben wird, um ein Prüfsignal zu erhalten,
das mittels eines ersten Abschirmkabels an eine Brükkensehaltung
angeliefert wird, die nahe eines zur Aufnahme einer Materialprobe und einer Aktivelektrode ausgebildeten
Gehäuses angeordnet ist. Die Brückenschaltung liefert in Abhängigkeit von dem Prüfsignal ein Ausgangssignal einer mit
dem Prüfsignal gleichen Frequenz und einer Phase relativ zu derjenigen des Prüfsignals sowie einer Amplitude, die in Beziehung
stehen zu der elektrischen Admittanz der jeweiligen Materialprobe, die in dem Gehäuse aufgenommen ist. Das Ausgangssignal
des Schwingkreises wird andererseits auch einem Phasenverschiebungskreis zugeleitet, der vier verschiedene
Signale liefert, die mit dem Prüfsignal in Phase und um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase stehen. Diese vier Signale werden
in einer vorbestimmten Folge und bei einer Frequenz fQ wesentlich größer als f^, an den Ausgang einer Schaltungseinrichtung weitergeliefert, um so ein Bezugssignal zu erhalten,
das mittels eines zweiten Abschirmkabels einem ersten Eingang eines mit einem doppelten Abgleich versehenen Mischers
zugeleitet wird, der ebenfalls nahe dem die Materialprobe aufnehmenden Gehäuse bzw. nahe der Brückenschaltung angeordnet
ist, deren Ausgangssignal einem zweiten Eingang dieses Mischers angeliefert wird. Der Mischer liefert ein zeitmultiplexiertes
Ausgangssignal, das vier aufeinanderfolgende Gleichstrom-Werte
1 30020/0086
besitzt, die proportional zu den positiven und negativen Werten der Konduktanz- und der Suszeptanz-Komponenten des Ausgangssignals der Bruckenschaltung sind. Das Ausgangssignal des Mischers ist über das zweite Abschirmkabel sowie Korrekturkreise
für die Temperatur und die Massedichte der Materialprobe auch an vier Probe- und Haltekreise angeschlossen, die an den Ausgängen zweier Funktionsverstärker durch Differenzbildung gebildete Meßwerte für die Leitfähigkeit und den dielektrischen Koeffizienten der gemessenen elektrischen Impedanz der Materialprobe ergeben.
130020/008S
Claims (1)
1.^Vorrichtung für ein getrenntes Messen der Leitfähigkeit und
des dielektrischen Koeffizienten von insbesondere teilchenförmigen Materialien, gekennzeichnet durch die folgenden
Merkmale:
a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals
einer vorbestimmten Frequenz f ;
b) eine auf dieses Prüfsignal ansprechende zweite Einrichtung zur Lieferung eines AusgangssignaIs einer mit dem
Prüfsignal gleichen Frequenz, wobei die auf das Prüfsignal bezogene Phase und die Amplitude dieses Ausgangssignals
in Beziehung stehen zu dem Meßwert für die elektrische Admittanz einer Materialprobe;
30020/0086
^MMFRZBANK STUTTuAHr St.T>uoi7 r »STSIitBCKAMT STUTTÜABT NR 1S7»O TELBPONISCHB AUSKÜNPTB SIND UNVBiBlNDLICH
ORIGINAL INSPECTED
c) eine dritte Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz,
wobei diese dritte Einrichtung für die Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals bei einer vorbestimmten
Frequenz f^ eingerichtet ist, bei f wesentlich größer
als fo£ , so daß das Bezugssignal aufeinanderfolgend
in Phase und im wes
zu dem Prüfsignal steht;
zu dem Prüfsignal steht;
gend in Phase und im wesentlichen um 9o° außer Phase
d) eine vierte Einrichtung zum Mischen des Ausgangssignals der zweiten Einrichtung und des Bezugssignals,
wobei ein Ausgangssignal erhalten wird, das aufeinanderfolgend in Beziehung steht zu der Leitfähigkeit
und dem dielektrischen Koeffizienten der Materialprobe.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schwingkreis zur Lieferung eines Ausgangssignals einer vorbestimmten Frequenz vorgesehen ist, auf
das die erste und die dritte Einrichtung für die Lieferung des Prüfsignals und des Bezugssignals ansprechen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des Schwingkreises auf die Frequenz f eingestellt ist und die erste und die dritte
Einrichtung jeweils ein in einer bestimmten Phase zu diesem Ausgangssignal f stehendes Prüfsignal bzw. ein
erstes, mit dem Prüfsignal im wesentlichen gleiches Sig-
130020/0088
29A3 1 98
nal liefern, wobei die dritte Einrichtung auch noch ein
von dem Ausgangssignal des Schwingkreises abhängiges zweites Signal liefert, dessen Phase im wesentlichen um 9o° verschoben
ist zu derjenigen ihres ersten Signals, und wobei noch eine Schalteinrichtung mit zwei Eingängen und einem
Ausgang vorgesehen ist, an deren zwei Eingänge die beiden Signale der dritten Einrichtung angeliefert werden und die
in zwei bei der Frequenz fo^ aufeinanderfolgend bewirkten
Schaltzustanden für eine jeweilige Durchschaltung ihrer
beiden Eingänge mit dem Ausgang zur Lieferung des Bezugssignals betriebsfähig ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die dritte Einrichtung für die bei der frequenz fo^ bewirkte
aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase des Bezugssignals in bezug auf die Phase des Prüfsignals eingerichtet
ist, so daß das Bezugssignal bezüglich des Prüfsignals im wesentlichen in Phase und um 9o°, 18o° und 27o°
außer Phase steht, wobei die Amplitude des Ausgangssignals der vierten Einrichtung aufeinanderfolgend einen zu einer
Konduktanz-Komponente und einen zu einer Suszeptanz-Komponente der gemessenen elektrischen Admittanz proprotionalen
positiven Wert sowie einen zu der Konduktanz-Komponente und zu der Suszeptanz-Komponente proportionalen negativen Wert
aufweist.
130020/0086
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingkreis zur Lieferung eines Ausgangssignals
einer vorbestimmten Frequenz vorgesehen ist, auf das die erste und die dritte Einrichtung für die Lieferung
des Prüfsignals und des Bezugssignals ansprechen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schwingkreises auf die Frequenz
fQ eingestellt ist und die erste und die dritte Einrichtung jeweils ein in einer bestimmten Phase zu diesem
Ausgangssignal f stehendes Prüfsignal bzw. ein erstes, mit dem Prüfsignal im wesentlichen gleiches Signal
liefern, wobei die dritte Einrichtung auch noch ein von dem Ausgangssignal des Schwingkreises abhängiges
viertes Signal liefert, dessen Phase im wesentlichen um 27o° verschoben ist zu derjenigen ihres ersten Signals,
und wobei noch Inverter zur Umkehrung des ersten und des vierten Signals in ein drittes und in ein zweites Signal,
deren Phasen im wesentlichen um 18o° bzw. 9o° verschoben
sind zu denjenigen des ersten Signals, sowie eine Schalteinrichtung mit vier Eingängen und einem Ausgang
vorgesehen sind, an deren vier Eingänge die vier Signale aufeinanderfolgend angeliefert werden für eine bei
der Frequenz f^ bewirkte Durchschaltung in vorbestimmter
Reihenfolge jedes Eingangs zu dem einen Ausgang zur Lieferung des Bezugssignals.
130:20/0086
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet t
daß eine mit der dritten Einrichtung synchron arbeitende fünfte Einrichtung für die aufeinanderfolgende Speicherung
der positiven und negativen Werte der Konduktanz-Komponente
und der Suszeptanz-Komponente sowie eine sechste Einrichtung vorgesehen sind zur Differenzbildung dieser
gespeicherten Werte für eine Lieferung eines zu der Leitfähigkeit und eines zu dem dielektrischen Koeffizienten
proportionalen ersten und zweiten Signals.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet t
daß eine auf das Ausgangssignal der dritten Einrichtung
ansprechende fünfte Einrichtung vorgesehen ist zur Lieferung eines zu der Leitfähigkeit und eines zu dem dielektrischen
Koeffizienten proportionalen ersten und zweiten Signals.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die vierte Einrichtung einen mit einem doppelten Ausgleich versehenen Mischer umfaßt.
1o. Vorrichtung zum Messen der elektrischen Impedanz von insbesondere teilchenförmigen Materialien, gekennzeichnet
durch die folgenden Merkmale:
a) eine erste Einrichtung zur Lieferung eines Prüfsignals einer vorbestimmten Frequenz f ;
130020/0086
b) eine zweite Einrichtung zur Lieferung eines Bezugssignals einer mit dem Prüfsignal gleichen Frequenz,
wobei diese zweite Einrichtung für die aufeinanderfolgende Verschiebung der Phase dieses Bezugssignals
bei der Frequenz f^ eingerichtet ist, bei fQ wesentlich
größer als fo£ , so daß das Bezugssignal bezüglich
des Prüfsignals aufeinanderfolgend im wesentlichen in Phase und um 9o°, 18o° und 27o° außer Phase
steht;
c) eine in der Nähe einer Materialprobe angeordnete Elektrode;
d) eine Brückenschaltung, die an dem einen von zwei Eingängen über eine dritte Einrichtung mit dieser
Elektrode verbunden ist;
e) eine vierte Einrichtung, mittels der das Prüfsignal an den zweiten Eingang der Brückenschaltung angeliefert
wird, womit an einem Ausgang der Brückenschaltung ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen
Frequenz gleich derjenigen des Prüfsignals und dessen auf das Prüfsignal bezogene Phase und Amplitude
in Beziehung stehen zu der elektrischen Admittanz der Materialprobe;
f) einen mittels einer fünften Einrichtung an dem einen von zwei Eingängen mit dem Ausgang der Brükkenschaltung
verbundenen Mischer;
130'i20/008S
" 7 ' 29Λ3198
g) eine sechste Einrichtung, mittels der das Bezugssignal an den zweiten Eingang des Mischers angeliefert
wird, womit an einem Ausgang des Mischers ein zeitmultiplexiertes Ausgangssignal erhalten wird,
das aufeinanderfolgend vier unterschiedliche Gleichstromwerte aufweist, die proprotional sind zu einer
positiven Konduktanz-Komponente, einer positiven Suszeptanz-Komponente, einer negativen Konduktanz-Komponente
und einer negativen Suszeptanz-Komponente des Ausgangssignals der Brückenschaltung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Speichereinrichtung für die vier unterschiedlichen Gleichstromwerte sowie weiter eine Einrichtung vorgesehen
ist, die zur Bildung einer absoluten Differenz zwischen den beiden Konduktanz-Komponenten und zur Bildung einer
weiteren absoluten Differenz zwischen den beiden Suszeptanz-Komponenten
ausgebildet ist und Ausgangssignale liefert, die proportional zu der Leitfähigkeit und dem dielektrischen
Koeffizienten der Materialprobe sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß
eine von der Temperatur der Materialprobe abhängige Ausgleicheinrichtung zur Veränderung der vier unterschiedlichen
Gleichstromwerte vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1o oder 12, dadurch gekennzeichnet,
daß eine von der Massedichte der Materialprobe
130020/0086
abhängige Ausgleicheinrichtung zur Veränderung der vier
unterschiedlichen Gleichstromwerte vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß
die vierte und die sechste Einrichtung ein erstes und ein zweites Abschirmkabel im wesentlichen gleicher Längen und
im wesentlichen übereinstimmender Impedanzen umfassen, wobei
die beiden Kabelenden des ersten Abschirekabels mit
der ersten Einrichtung und dem ersten Eingang der Brükkenschaltung und die beiden Kabelenden des zweiten Abschirmkabels
mit dem Ausgang einer Schalteinrichtung und dem einen Eingang des Mischers verbunden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
eine siebente Einrichtung vorgesehen ist, über die das eine Kabelende des zweiten Abschirmkabels mit dem einen Eingang
und mit dem Ausgang des Mischers verbunden ist zur Ermöglichung einer Weiterleitung sowohl des Ausgangssignals
des Mischers als auch des Bezugssignals über das zweite Abschirmkabel.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die siebente Einrichtung einen zwischen das Kabelende des zweiten Abschirmkabels und den einen Eingang des Mischers
geschalteten ersten Filterkreis zur Weiterleitung nur des Bezugssignals und einen zwischen den Ausgang des Mischers
und dieses Kabelende des zweiten Abschirmkabels geschalteten zweiten Filterkreis zur Weiterleitung nur des Ausgangssignals
des Mischers umfaßt.
1 30020/008S
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet. daß
das der Schalteinrichtung zugeordnete Kabelende des zweiten Abschirmkabels mit einer achten Einrichtung verbunden
ist, die das Ausgangssignal des Mischers von dem Bezugssignal trennt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brückenschaltung einen in Reihe mit dem Emitter eines ersten Transistors liegenden ersten Widerstand und einen in
Reihe mit dem Emitter eines zweiten Transistors liegenden zweiten Widerstand umfaßt, die beide über einen einstellbaren
dritten Widerstand miteinander verbunden sind und deren jeweiliger Knotenpunkt im Anschluß mit dem Emitter
des zugeordneten Transistors mit einer einstellbaren Impedanz bzw. mit dem zweiten Eingang der Brückenschaltung verbunden
ist, und daß die Kollektoren der beiden Transistoren an die beiden Seiten der in zwei im wesentlichen symmetrische
und in Reihe liegende Abschnitte unterteilten Primärspule eines Transformators angeschlossen sind, dessen
Sekundärspule mit dem Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, an deren ersten Eingang die Basen der beiden
Transistoren gemeinsam angeschlossen sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brückenschaltung eine einstellbare Impedanz umfaßt, mit der erste und zweite Zweige gleichen Typs des Schaltungskreises
verbunden sind, wobei der zweite Eingang der
130020/0085
Brückenschaltung mit dem zweiten Zweig und der erste
Eingang der Brückenschaltung mit den beiden Zweigen über einen Isolationskreis verbunden ist, der bezüglich
des ersten Eingangs der Brückenschaltung eine relativ hohe Impedanz und bezüglich der beiden Zweige
eine relativ niedrige Impedanz darbietet, und wobei die beiden Zweige Ströme leiten, die proportional zu
der Admittanz der einstellbaren Impedanz und zu der Ad Bittanz der Materialprobe sind und in den beiden
Zweigen subtraktiv kombiniert werden zur Bildung des Ausgangssignals der Brückenschaltung.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß der Isolationskreis zwei Transistoren umfaßt, deren Basen gemeinsam an den ersten Eingang der Brückenschaltung
angeschlossen sind und deren Emitter und Kollektor bei dem einen Transistor des einen Zweiges mit der einstellbaren
Impedanz und bei dem anderen Transistor des anderen Zweiges mit dem zweiten Eingang der Brückenschaltung
verbunden sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Lieferquelle für ein WechselstressignaX einer
Frequenz f vorgesehen ist und die erste Einrichtung einen ersten Phasenverschiebungskreis zur Verschiebung
der Phase dieses Wechselstromsignals in einer ersten Richtung um im wesentlichen 45° zur Lieferung des Prüfsignals
umfaßt, und daß für die zweite Einrichtung ein
130 η 20/0086
erster und ein zweiter Phasenverschiebungskreis vorgesehen sind zum Verschieben der Phase des Wechselstromsignals
um im wesentlichen 45° in der ersten Richtung
zur Lieferung eines ersten Signals und zur Verschiebung des Wechselstromsignals ebenfalls um 45° in einer zweiten,
dazu entgegengesetzten Richtung zur Lieferung eines zweiten Signals, aus denen mittels Invertern dritte und
vierte Signale erhalten werden, die gemeinsam mit den ersten und zweiten Signalen an die vier entsprechenden
Eingänge einer Schalteinrichtung angeliefert werden, durch welche die vier Signale in einer vorbestimmten
Folge und bei der Frequenz f^ als Bezugssignal über
einen Ausgang der Schalteinrichtung abgegeben werden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet,
daB der Mischer als ein Mischer mit doppeltem Abgleich ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz
als die Frequenz
als die Frequenz
daß die Frequenz f um den Faktor 1.ooo größer ist
1 30020/0088
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DE19792943198 Ceased DE2943198A1 (de) | 1979-10-25 | 1979-10-25 | Vorrichtung zum messen der elektrischen impedanz von insbesondere teilchenfoermigen materialien |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR2468916B1 (de) | 1985-01-11 |
FR2468916A1 (fr) | 1981-05-08 |
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