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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ein Gerät zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante von Materialien. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Das Gerät kann in der Amateurfunkpraxis bei der Beurteilung der Dielektrizitätskonstante von Proben aus Kunststoffen, Keramik und anderen Isoliermaterialien sowie für Spezialisten und Sammler bei der Identifizierung und Systematisierung von Mineralproben nützlich sein. Durch verschiedene kapazitive Sensordesigns können die Fähigkeiten des Geräts deutlich erweitert werden. Das Gerät dient dazu, die Dielektrizitätskonstante von Kunststoffen, Mineralien und Keramiken zu bestimmen und diese anhand dieses Parameters zu identifizieren. Die Idee, das Gerät zu entwickeln und den Sensor zu entwickeln, stammte von Ph.D. chem. Wissenschaften G. G. Petrzhik. Das Gerät kann von Funkamateuren und Spezialisten verwendet werden, die sich mit dem Sammeln, Sammeln und Verarbeiten von Mineralien befassen. Das Prinzip der Bestimmung der Dielektrizitätskonstante basiert auf einer Erhöhung der Kapazität des Sensors, wenn seine Oberfläche in engem Kontakt mit der polierten Oberfläche des Dielektrikums (Minerals) steht, und einer entsprechenden Erhöhung des Übertragungskoeffizienten des Hochfrequenzsignals im Messkreis mit diesem kapazitiven Sensor. Auf Abb. 1 zeigt die elektrische Schaltung des Geräts.
Ein harmonischer Schwingungsgenerator mit einer Frequenz von etwa 1 MHz ist aus dem Transistor VT2, der Induktivität L1, den Kondensatoren C3-C1 und den Widerständen R3-R2,5 aufgebaut. Vom Ausgang des Generators wird das Signal an eine Elektrode der Kammstruktur des kapazitiven Sensors B1 gesendet. Von einer anderen ähnlichen Elektrode wird das durch die Sensorkapazität induzierte Signal an einen Detektor gesendet, der aus einer Diode VD1 und einem integrierenden RC-Schaltkreis R10C9 besteht. Dieser Detektor hat eine relativ niedrige Eingangsimpedanz und ist daher wenig anfällig für HF-Störungen und Interferenzen. Der Induktor L3, der für niedrige Frequenzen einen geringen Widerstand bietet, dient auch dazu, Störungen vom Netzwerk zum Sensor zu minimieren. Die gleichgerichtete Spannung am Eingang des Analog-Digital-Wandlers ist nahezu proportional zur Dielektrizitätskonstante des Sensorsubstrats und des auf dem Sensor befindlichen Probenmaterials. Der ADC mit 3,5-stelliger digitaler LCD-Anzeige (HG1) fungiert als Millivoltmeter. Der Wechselrichter am Transistor VT2 erzeugt das Signal, das erforderlich ist, um den Punkt zwischen der zweiten und dritten Ziffer des Indikators hervorzuheben. Der vom Indikator angezeigte maximale Wert der Dielektrizitätskonstante beträgt 19,99. Das Gerät wird unabhängig von einer Korundbatterie oder einer 9-V-Batterie (z. B. Nika, 7D-0125D) mit Strom versorgt. In Abb. Abbildung 2 zeigt eine Skizze des Aufbaus eines Dielektrizitätskonstantenmessers mit kapazitivem Sensor, der sich außerhalb eines Kunststoffgehäuses mit den Abmessungen 80x70x35 mm befindet und vom Autor aus einem Antennenverstärker (TAU-1) verwendet wird. Die zweite Gestaltungsmöglichkeit unterscheidet sich von der in Abb. 2 dadurch, dass sich der Sensor auf der Seite gegenüber dem Indikator befindet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das Gerät auf einer großen Masse des zu identifizierenden Minerals zu platzieren.
Im Inneren des Gerätekörpers befinden sich ein Akku und eine Leiterplatte mit den übrigen Elementen des Geräts – auf der einen Seite der Platine und einer LCD-Anzeige – auf der anderen Seite. Für die Anzeige und den Sensor sind im Gehäuse rechteckige Löcher entsprechender Größe ausgeschnitten. Löcher zum Einstellen der Trimmwiderstände müssen zugänglich und so angeordnet sein, dass sie während der Kalibrierung die Platzierung der Probe auf der Oberfläche des Sensors und die Beobachtung der Messwerte nicht beeinträchtigen. Die Platte des kapazitiven Sensors B1 besteht aus einseitiger Glasfaserfolie mit geätzten oder aus Metallisierung geschnittenen Platten mit einer Leiterbreite und Lücken zwischen ihnen von 0,8...1 mm und einer „Kamm“-Breite von 8...10 mm. Die Befestigung des Sensors am Gehäuse erfolgt mit Senkschrauben M2,5 auf Isolierhülsen 8...10 mm Höhe. Auch andere Möglichkeiten zur Montage des Sensors sind möglich. Eine elektrische Abschirmung aus Bronze- oder Kupferfolie sollte im Inneren des Gehäuses zwischen Sensor und Elektronikeinheit in einem Abstand von mindestens 10 mm angebracht werden, um den Einfluss der Hände auf die Messwerte während der Kalibrierung und Messung zu verringern. Die Kabel, die den Sensor mit dem Gerät verbinden, und die Schraubenköpfe dürfen nicht über die Kämme hinausragen. Die auf den Sensor gelegte Probe des Testmaterials sollte die gesamte Oberfläche des „Kamms“ bedecken. Der Schwingkreis des Generators basiert auf einer DPM-0,1 (L2)-Induktivität und den Kondensatoren C2, C3. Die L1-Kommunikationsspule verfügt über 20 Windungen PELSHO 0,15-Draht, die über die Drosselspule gewickelt sind. Als Induktivität L3 wird die gleiche Induktivität verwendet. Kondensatoren C1-C3, C7, C9, C11, C12 - Glimmer, keramische thermostabile Gruppen TKE (d. h. außer H10-H90) oder Filmgruppen K73; C5, C8 sind ebenfalls aus Keramik. Anstelle der D9E-Diode können Sie auch eine andere Germanium-Diode verwenden - zum Beispiel D18, GD503A. Vor Beginn der Messungen muss das Gerät kalibriert werden, wobei durch Einschalten der Stromversorgung mithilfe der angepassten Widerstände R4, R7, die zur Anpassung an den Schlitz in die Löcher im Gehäuse herausgeführt werden, Anzeigewerte erhalten werden, die dem relativen Dielektrikum entsprechen Luftkonstante er = 1 und eine Materialprobe mit bekanntem Parameterwert er. Die Gleichspannung am Ausgang des Detektors muss innerhalb ausreichender Grenzen liegen, um die Anzeigewerte mithilfe des Trimmwiderstands R4 auf drei Stellen – 1,00 – einzustellen. Platzieren Sie dann eine glatte (polierte) Oberfläche einer Materialprobe mit einer bekannten Dielektrizitätskonstante, die eine kleine Streuung aufweist, in der Nähe des Sensors (z. B. Getinax – er = 5) und stellen Sie mithilfe des Trimmwiderstands R7 die LCD-Anzeige ein Messwerte entsprechend dem Wert der Dielektrizitätskonstante des ausgewählten Kalibriermaterials. Durch Wiederholen der Kalibrierung durch Einstellen des Widerstands R4 erreichen wir eine Klärung der Messwerte, die den Werten der Dielektrizitätskonstante von Luft und der verwendeten Probe entsprechen. Die Oberflächen der identifizierten Materialien, deren Kontaktfläche kleiner als die Abmessungen des Sensors ist, müssen in Dicke und Fläche mit der für die Kalibrierung verwendeten Probe übereinstimmen. Unter anderen Bedingungen und Aufgaben kann der Sensor je nach Form, Größe und physikalischem Zustand der Proben ein anderes Design haben.
Als Kalibrierprobenmaterialien können auch Polystyrol, Plexiglas und Marmor empfohlen werden (die Tabelle zeigt die Werte der relativen Dielektrizitätskonstante fester dielektrischer Materialien, die insbesondere in der Funktechnik und Elektronik verwendet werden). Bei den angegebenen Abmessungen des kapazitiven Sensors muss die Dicke des untersuchten Dielektrikums mindestens 5 mm betragen, da sonst der tatsächliche Wert des Parameters unterschätzt wird. Das Gerät führt tatsächlich relative Messungen durch und vergleicht die dielektrischen Eigenschaften eines bekannten Dielektrikums und einer Probe des untersuchten Materials. Je näher sie am Wert des geschätzten Parameters liegen, desto kleiner ist der Fehler bei der Messung des Parameters. Enge Größen und das Trocknen der Proben tragen ebenfalls zur Verbesserung der Genauigkeit der Messwerte bei. Autor: L. Kompanenko, Moskau
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