Permittivität

Permittivitätsmessung durch Hochfrequenz-Wirbelstromprüfung

Hochfrequenz-Wirbelstrommessgeräte können nicht nur zur Charakterisierung der Leitfähigkeit und der auf die magnetische Permeabilität bezogenen Eigenschaften von elektrisch leitfähigen Materialien, sondern auch zur Charakterisierung der Permittivität von Isolatoren eingesetzt werden. Dies basiert auf der Tatsache, dass Wirbelstromsysteme elektrische und magnetische Felder erzeugen, wobei die elektrische Feldverteilung durch die Permittivität innerhalb der erzeugten Felder beeinflusst wird. Dieser Effekt kann zur berührungslosen Permittivitäts-Charakterisierung genutzt werden. Zu den Anwendungen gehören

  • Materialsortierung (Kunststoffe, Metalloxide, Keramiken, etc.)
  • Beurteilung von Zusammensetzungen (Beton, Flüssigkeiten)
  • Beurteilung von chemischen Reaktionen (Aushärtung, Zweikomponenten-Gießmassen)

SURAGUS bietet Einzelpunkt-, Bildgebungs- und Inline-Sensoren für die Hochfrequenz-Charakterisierung. Insbesondere die Inline-Durchlässigkeitsmessung mittels Hochfrequenz-Impedanzanalyse ist vorteilhaft

  • Echtzeit
  • Berührungslos
  • Hohe Abtastraten
  • Messung durch Rohre, Behälter und Substrate hindurch
  • Kein Verschleiß

SURAGUS bietet verschiedene, oft auf die Messaufgabe zugeschnittene Sensortypen an, die vor allem für die Prüfung auf flachen Substraten oder zur Charakterisierung von Flüssigkeiten, Pulvern und anderen Substanzen in Rohren oder speziellen Behältern geeignet sind. Bitte kontaktieren Sie unser Team, um spezifische Prüfaufgaben zu besprechen.

Theorie und Hintergrund - Einfluss der Permittivität auf die Impedanz von Wirbelstromspulen

Die Maxwellschen Gleichungen für konstante Frequenzen (1 - 4) legen nahe, dass die Leitfähigkeit und Permittivität der Probe die Impedanz der Wirbelstromspule beeinflussen. Dabei erzeugt ein magnetisches Feld H mit der magnetischen Flussdichte B, das sich zeitlich mit der Kreisfrequenz ω ändert, ein rotierendes elektrisches Feld E, das von der Leitfähigkeit der Probe unabhängig ist (3). Die Stromdichte J ist abhängig von der Leitfähigkeit der Probe σ (7), während die Verschiebungsstromdichte JD von der Permittivität ε des zu prüfenden Materials abhängt (6). Dieser Effekt ist bei herkömmlichen niederfrequenten Wirbelstrom-Prüflösungen nicht relevant, wird aber bei hochfrequenten Prüfsystemen sichtbar. Forschungen und Studien mit SURAGUS EddyCus Hochfrequenz-Wirbelstromsystemen sind für einige Anwendungen veröffentlicht und begutachtet worden

(cf. S. Gäbler, H. Heuer and G. Heinrich, "Measuring and Imaging Permittivity of Insulators Using High-Frequency Eddy-Current Devices," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 64, no. 8, pp. 2227-2238, Aug. 2015, doi: 10.1109/TIM.2015.2390851. )

 

Formeln der Permittivität

 

Was ist Permittivität?

Die Permittivität wird als Dielektrizitätskonstante bezeichnet. Die Dielektrizitätskonstante beschreibt die relative Fähigkeit eines Dielektrikums, elektrostatische Energie in einem elektrischen Feld zu speichern. Je kleiner die relative Dielektrizitätskonstante von Materialien ist, desto besser ist die Isolation. Wenn ein Medium mit einem elektrischen Feld beaufschlagt wird, entsteht eine induzierte Ladung, die das elektrische Feld abschwächt. Das Verhältnis zwischen dem ursprünglich angelegten elektrischen Feld (im Vakuum) und dem endgültigen elektrischen Feld wird als Permittivität bezeichnet, die auch mit der Frequenz zusammenhängt.

Relevanz der Permittivität

Das Aufkommen des High-Tech-Zeitalters hat zu Veränderungen und Anforderungen an High-Tech-Materialien geführt, und das Aufkommen neuer Technologien hat neue Leistungsanforderungen an Materialien geschaffen, einschließlich dielektrischer Mikrowellenkeramiken, PCB-Materialien, Halbleitermaterialien, Materialien für Mobiltelefonantennen, Materialien für Mobiltelefonschalen, elektromagnetische Abschirmungsmaterialien und dielektrische Materialien, etc. Dies erfordert eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen und geringere Signalausbreitungsverluste, was höhere Dielektrizitätskonstanten und geringere dielektrische Verluste der in der Anwendung verwendeten Materialien bedeutet. Dielektrische Materialien erfüllen diese anspruchsvollen Anforderungen.

Welche Einheit hat die Permittivität?

Die SI-Standardeinheit für die Dielektrizitätskonstante ist Farad pro Meter (F/m oder F-m-1). Die Dielektrizitätskonstante im Vakuum wird als Vakuumleitfähigkeit ε0 bezeichnet, ε0 ≈ 8,854187817...×10-¹² F/m. Die Dielektrizitätskonstante wird oft durch die relative Dielektrizitätskonstante εr dargestellt, die das Verhältnis zwischen der absoluten Dielektrizitätskonstante ε und der Vakuumpermittivität ε0 ist.

Wie kann die Permittivität gemessen werden?

Es gibt viele Methoden, die für die Messung der Permittivität oder Dielektrizitätskonstante entwickelt wurden, und jede von ihnen kann für bestimmte Frequenzen, Materialien, Anwendungen und etc. durchgeführt werden.

Methoden Anwendungsszenarios Vorteile Grenzen
Koaxialsonde mit offenem Ende Flüssigkeiten, biologische Präparate, halbfeste Stoffe einfach anzuwenden durch niedriges f, nicht geeignet für komplexe Elektronik
Übertragungsleitung meist angewandt zur Prüfung von verlustarmen und verlustbehafteten Materialien mit großem εr hohe Genauigkeit, alle Frequenzen viele Werte Problem, Anforderung an Form und Größe, geringe Genauigkeit bei dünnen Schichten und rauer Oberflächen
Resonanzverfahren gute Ergebnisse bei 1 GHz bis 10 GHz, geeignet für verlustarmes Material Gute Genauigkeit, leicht anzuwenden Ungenau bei Verlusttangente, mehrere Fehlerquellen
Freiraum gute Ergebnisse bei 3 GHz bis 100 GHz kein direkter Kontakt erforderlich, großer Messbereich Fehler, die durch stehende Wellen verursacht werden

Die Methode der offenen Koaxialsonde wird seit Jahren als zerstörungsfreie Prüfmethode eingesetzt. Bei dieser Methode wird die Sonde gegen eine Probe gedrückt oder in die Flüssigkeiten eingetaucht und der Reflexionskoeffizient wird gemessen und zur Bestimmung der Permittivität verwendet.

Die Transmission-Line-Methode ist eine beliebte Breitband-Messmethode. Bei dieser Methode wird nur der Grundmode des Wellenleiters (TEM-Mode in Koaxialleitungen und TE-Mode in Hohlleitern) als Ausbreitung angenommen. Vor der Messung muss eine Kalibrierung durchgeführt werden.

Die Resonanzmethode bietet hohe Genauigkeiten und geht von der TE- oder TM-Ausbreitungsmode aus. Resonanzmessungen sind die genauesten Methoden zur Bestimmung von Permittivität und Permeabilität. Es gibt jedoch Beschränkungen hinsichtlich der Frequenzen und der Verlusteigenschaften
der Materialien, die mit dieser Methode gemessen werden können.

Die Freiraum-Methode ist für breitbandige Anwendungen geeignet und nimmt nur den TEM-Ausbreitungsmodus an. Die Freiraum-Messung ermöglicht Messungen am zu prüfenden Material (MUT) unter hohen Temperaturen oder feindlichen Umgebungen und arbeitet in der Regel in breitbandigen Frequenzen.

In der Industrie werden die folgenden Methoden in den Labors eingesetzt:

DEA/DSC-Analyse

Dielektrische Analyse (DEA) oder dielektrische Aushärtungsüberwachung ist eine thermische Analysetechnik zur Bestimmung des Aushärtungszustands. DEA verfolgt den Aushärtungszustand eines Materials durch Messung der elektrischen Eigenschaften der Permittivität. Die Dielektrizitätskonstante (ε) steht im Zusammenhang mit der Energiespeicherung in einem Material.

Differential Scanning Calorimetry (DSC), eine Methode zur Untersuchung von Polymeren, wie die Messung der Glasübergangstemperatur Tg, die sich mit dem Aushärtungszustand ändert.

DETA-Analyse

Die dielektrische Thermoanalyse (DETA) ist ein Verfahren, bei dem das Material durch Messung des dielektrischen Koeffizienten und des dielektrischen Verlusts einer Probe unter einem elektrischen Wechselfeld als Funktion der Temperatur, der Frequenz oder der Zeit analysiert wird, um die physikalischen und chemischen Veränderungen im Material zu bewerten.

Anwendungen für Permittivitätsmessungen

Die Qualitätssicherung und Prozesskontrolle der folgenden Anwendungen kann durch Permittivitätsmessungen unterstützt werden:

  • Materialsortierung (Kunststoffe, Metalloxide, Keramiken, etc.)
  • Beurteilung von Zusammensetzungen (Beton, Flüssigkeiten)
  • Beurteilung von chemischen Reaktionen (Zweikomponenten-Gießmassen)

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