Title:
Verfahren und Verwendung einer Vorrichtung zur Messung der lokalen effektiven Permittivität von elektrisch nicht leitenden oder schwach leitenden Materialien
Kind Code:
B4
Abstract:

Verfahren zur Messung der lokalen effektiven Permittivität eines Untersuchungsobjektes, das mindestens ein elektrisch nicht leitendes und/oder schwach leitendes Material aufweist, wobei die Messung induktiv erfolgt und die folgenden Schritte durchgeführt werden:
– Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz durch ein induktives Bauelement (13), wobei das elektromagnetische Wechselfeld mindestens einen Teil des Untersuchungsobjektes (7) durchdringt;
– Erfassen mindestens eines Feldstärke-Messwertes an wenigstens einer Position innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes mit mindestens einem induktiven Messsensor (3) und Bestimmen einer durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) an der Position des Messsensors (3) hervorgerufenen Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes auf Basis des erfassten Feldstärke-Messwertes in einem Schritt, wobei eine Verstärkung der durch das Untersuchungsobjekt hervorgerufenen Veränderung des elektromagnetischen Wechselfelds durch differentielles Verschalten mindestens zweier induktiver Bauteile erfolgt;
– Bestimmen der lokalen effektiven Permittivität für ein durch die Abmaße und Position des Messsensors (3) in Bezug zu der Oberfläche des Untersuchungsobjektes (7) festgelegtes Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) aus der Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes;
– Zuordnen der lokalen effektiven Permittivität zu dem entsprechenden Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) für jede Position, an der ein Feldstärke-Messwert erfasst wurde.



Inventors:
Gäbler, Simone (01099, Dresden, DE)
Heuer, Henning, Prof. Dr. (01324, Dresden, DE)
Klein, Marcus (01067, Dresden, DE)
Application Number:
DE102014116497A
Publication Date:
05/21/2015
Filing Date:
11/12/2014
Assignee:
SURAGUS GmbH, 01109 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE69204318T2N/A1996-03-14
DE2832433A1N/A1980-02-14
DE2839566A1N/A1979-03-22
Attorney, Agent or Firm:
Kaufmann, Sigfrid, Dr., 01309, Dresden, DE
Claims:
1. Verfahren zur Messung der lokalen effektiven Permittivität eines Untersuchungsobjektes, das mindestens ein elektrisch nicht leitendes und/oder schwach leitendes Material aufweist, wobei die Messung induktiv erfolgt und die folgenden Schritte durchgeführt werden:
– Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz durch ein induktives Bauelement (13), wobei das elektromagnetische Wechselfeld mindestens einen Teil des Untersuchungsobjektes (7) durchdringt;
– Erfassen mindestens eines Feldstärke-Messwertes an wenigstens einer Position innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes mit mindestens einem induktiven Messsensor (3) und Bestimmen einer durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) an der Position des Messsensors (3) hervorgerufenen Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes auf Basis des erfassten Feldstärke-Messwertes in einem Schritt, wobei eine Verstärkung der durch das Untersuchungsobjekt hervorgerufenen Veränderung des elektromagnetischen Wechselfelds durch differentielles Verschalten mindestens zweier induktiver Bauteile erfolgt;
– Bestimmen der lokalen effektiven Permittivität für ein durch die Abmaße und Position des Messsensors (3) in Bezug zu der Oberfläche des Untersuchungsobjektes (7) festgelegtes Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) aus der Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes;
– Zuordnen der lokalen effektiven Permittivität zu dem entsprechenden Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) für jede Position, an der ein Feldstärke-Messwert erfasst wurde.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Feldstärke-Messwertes des durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) beeinflussten elektromagnetischen Wechselfeldes berührungslos erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Feldstärke-Messwertes des durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) beeinflussten elektromagnetischen Wechselfeldes derart erfolgt, dass der Messsensor (3) das Untersuchungsobjekt (7) berührt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt hervorgerufenen Veränderung des elektromagnetischen Wechselfeldes zusätzlich eine zu dem entsprechenden Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) zuordenbare lokale Leitfähigkeit und/oder Permeabilität gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach dem Erfassen des Feldstärke-Messwertes eine Kalibrierung des mindestens einen Messsensors (3) auf den erfassten Feldstärke-Messwert mittels Messung des Einflusses von mindestens einer Kalibrierprobe mit bekannter Permittivität und elektrischer Leitfähigkeit auf das durch das induktive Bauelement (13) erzeugte elektromagnetische Wechselfeld durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Feldstärke-Messwerte an jeweils einer Position und das Bestimmen der zugeordneten lokalen effektiven Permittivität mehrfach hintereinander erfolgt, wobei eine zeitliche Veränderung der lokalen effektiven Permittivität eines oder mehrerer Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Feldstärke-Messwerte und das Bestimmen der zugeordneten lokalen effektiven Permittivität an verschiedenen Positionen erfolgt, wobei eine örtliche Veränderung der lokalen effektiven Permittivität eines oder mehrerer Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) erfasst wird.

8. Verwendung eines Messgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinheit (11), mindestens ein mit der Steuereinheit (11) verbundenes induktives Bauteil (13), mit dem ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz erzeugbar ist, und mindestens einen mit der Steuereinheit (11) verbundenen Sensor (3) zur Detektion eines elektromagnetischen Wechselfelds und Verstärkung von durch das Untersuchungsobjekt (7) hervorgerufenen Veränderungen dieses Wechselfelds umfasst, wobei der mindestens eine Sensor (3) mit differentiell verschalteten Spulen ausgeführt ist.

9. Verwendung eines Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauteil (13) und der Sensor (3) als ein einziges Bauteil ausgeführt sind.

10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Überwachung der Aushärtung und/oder Trocknung von Polymeren oder Lacken.

11. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Detektion und Visualisierung von Aushärte- und Überhitzungsfehlern in Verbundwerkstoffen.

12. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Detektion und Visualisierung von Texturen in Faserverbundwerkstoffen.

Description:

Die Erfindung betrifft die Charakterisierung der effektiven Permittivität von nicht oder schwach leitenden Feststoffen (z. B. Polymeren, Keramik, Beton etc.), Flüssigkeiten, und Gasen in Einstoffsystemen, in Schichtsystemen und/oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen elektrisch leitenden oder nicht-leitenden Materialien (z. B. dielektrische Schichten auf Metall, Verbundwerkstoffe wie glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, textilen Werkstoffen oder Halbzeugen, Garnsystemen, Faserbündeln etc.) und umfasst die relative und absolute Bestimmung der Permittivität, die Charakterisierung einer Permittivitätsänderung über der Zeit sowie ein Permittivitätsmapping (d. h. die Messung von Permittivitätswerten an einer Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes) zur Identifikation lokaler Permittivitätsabweichungen oder -änderungen. Bei konstanter Permittivität umfasst sie die Bestimmung des Materialvolumens, der Geometrie bzw. der Materialzusammensetzung im Messbereich, relativ oder absolut (z.B. Dickenmessung), bzw. als Veränderung über die Zeit oder den Ort (z. B. Defektoskopie). Bei elektrisch schlecht leitfähigen Materialien/Materialverbunden umfasst die Erfindung zudem die parallele Charakterisierung von Permittivität und Leitfähigkeit.

Zur Messung der Permittivität von Materialien sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Man unterscheidet dabei kapazitive Verfahren und Mikrowellen-/Terahertzbasierte Verfahren.

Zu den kapazitiven Verfahren zählen die Frequenzbereichsspektroskopie, bei der das zu untersuchende Material einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und die Polarisations-/Depolarisationsstrommessung, bei der das zu untersuchende Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird. Mit einem Amperemeter und kontaktierend positionierten Elektroden wird jeweils der durch das zu untersuchende Material fließende Wechselstrom gemessen.

Kapazitive Verfahren zur Permittivitätsmessung weisen zahlreiche Nachteile auf. Beispielsweise ist zumeist ein direkter Kontakt der Elektroden zum Material erforderlich. Die Nutzung paralleler Platten als Elektroden ist meist nicht am Bauteil selbst, sondern nur an dünnen Materialproben möglich. Die hierfür notwendige Probenpräparation ist sehr aufwendig (gesputterte Oberfläche für guten Kontakt zur Elektrode, hohe Anforderungen bezüglich Planheit etc.) und damit fehleranfällig. Für Messungen an Werkstücken oder Bauteilen, die nur einseitigen Zugang erlauben, werden einseitige Elektroden wie z.B. Interdigitalelektroden verwendet. Von außen aufgesetzt haben Sie nur eine geringe Eindringtiefe oder eine schlechte Ortsauflösung bei höherer Eindringtiefe. Wenn die Elektroden bei der Fertigung mit eingearbeitet werden, kann das z. B. eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften nach sich ziehen. Zudem wird nur punktuell, d. h. in der unmittelbaren Umgebung der Elektroden, gemessen. Bei leitfähigen Materialien kommt es zudem unabhängig von der Elektrodenform zu einer Elektrodenpolarisation, die die Messergebnisse verfälscht.

Nicht-kontaktierende kapazitive Verfahren ermöglichen ein Permittivitätsmapping an planaren, elektrisch nicht-leifähigen Proben. WO 2007/137404 A1 beschreibt ein dafür geeignetes Gerät, mit dem Differenzen in der Permittivität zwischen unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche von Papier oder anderem folienartigem Material gemessen werden können. Eine andere Möglichkeit ist single-sided stray-field capacitive imaging. Es ermöglicht ein Permittivitätsmapping an planaren, elektrisch nicht-leifähigen Proben beliebiger Dicke oder Sandwichstrukturen. Das Verfahren hat allerdings eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung. Eine bessere Ortsauflösung kann nur durch kleinere Elektroden erreicht werden, was gleichzeitig einen Verlust an Eindringtiefe und Sensitivität bedeutet und daher nur begrenzt möglich ist. Bei der Anwendung an leitfähigen Materialien kommt es zur Ansammlung von Ladungsträgern auf der Oberfläche, sodass nur eine Charakterisierung der Oberflächenstruktur möglich ist. Die kapazitive Prüfung von Bauteilen mit komplexer dreidimensionaler Form ist derzeit nicht möglich.

Hochfrequente elektromagnetische Verfahren, wie die Mikrowellenspektroskopie oder die Terahertzspektroskopie, arbeiten im Frequenzbereich oberhalb 300 MHz bzw. oberhalb 300 GHz. Bei den Mikrowellenverfahren gibt es offene und geschlossene Anordnungen zur Bestimmung der Permittivität. Geschlossene Anordnung wie Wellenleiterverfahren oder Hohlraumresonatoren erfordern ebenfalls direkten Kontakt zur Probe bzw. arbeiten mit speziell präparierten Probenzellen. In diesem Fall können sie nur im Labormaßstab bzw. nach zerstörender Probenentnahme eingesetzt werden. Die Prüfung ist damit ebenfalls nur punktuell; eine Prüfung kompletter Bauteile ist nicht möglich.

Offene Anordnungen erlauben prinzipiell eine zerstörungsfreie und bildgebende Permittivitätsmessung von zweidimensionalen oder teils sogar dreidimensionalen Strukturen. Im Fernfeld ist die Auflösung jedoch auf etwa eine halbe Wellenlänge beschränkt. Hohe Auflösungen im Fernfeld können daher nur mit sehr hochfrequenten Mikrowellengeräten oder zumeist mit Terahertzmessungen erzielt werden. Diese Technologien sind dann entsprechend sehr kostenintensiv. Meist wird daher das elektromagnetische Nahfeld zur Permittivitätsmessung mit Mikrowellen genutzt. Hier hängt die mögliche Ortsauflösung von der Probengeometrie ab. Mit steigender Ortsauflösung sinkt, wie bei den kapazitiven Verfahren, die Eindringtiefe. Bei vielen Mikrowellenverfahren können aber bei gleicher Eindringtiefe höhere Ortsauflösungen erreicht werden. US 3,510,764 A beschreibt ein Verfahren zur Messung einer Permittivitätsänderung unter Verwendung von Mikrowellen-Frequenzbändern. Ebenso beschreiben US 5,233,306 A und WO 2000/077501 A1 Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Permittivität im Mikrowellenfrequenzbereich.

Mikrowellenverfahren bzw. Terahertzverfahren eignen sich fast ausschließlich für die Charakterisierung elektrisch isolierender Materialien. Bei Messungen an elektrisch leitfähigen oder schwach leitfähigen Materialien ist die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen, und damit die einer Messung zugängliche Schichtdicke unterhalb der Probenoberfläche, auf Grund des bei hohen Frequenzen auftretenden Skin-Effekts minimal. Eine Ausnahme bildet die Mikrowellenspektroskopie an unidirektionalen kohlestofffaserverstärkten Kunststoffen. Diese können charakterisiert werden, wenn die Polarisation des elektrischen Feldes lotrecht zu den Kohlefasern ausgerichtet ist. Die Gerätetechnik der Hochfrequenzverfahren ist sehr anfällig gegenüber Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Diese zum Teil sehr ausgeprägten Umgebungseinflüsse lassen sich nur mit zusätzlichen Mechanismen kompensieren. In EP 1377887 A1 sind zum Beispiel eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation eines Temperatureinflusses beschrieben.

Da bereits vielfältigen Ausführungsformen an Verfahren zur Messung der Permittivität existieren, sind auch viele Anwendungsgebiete für eine Permittivitätsmessung bekannt. Beispielweise beschreibt WO 2002/065127 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Permittivität eines Materials über Vergleichsmessungen.

DE 692 04 318 T2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Alkoholverunreinigungen in durch eine Kraftstoffleitung fließenden Kraftstoff. Die Messung erfolgt berührungslos mittels einer Sendeelektrode, die elektromagnetische Wellen im Bereich von 5 MHz erzeugt, und einer Empfangsspule. Unter Berücksichtigung der bekannten Resonanzfrequenzen von reinem Kraftstoff und Alkohol wird die Dielektrizitätskonstante (Permittivität) und daraus der Alkoholgehalt bestimmt. Da der Kraftstoff fließt, erfolgt die Bestimmung als Funktion der Zeit.

DE 28 39 566 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prospektion von Erdöl, wobei eine Messsonde in einem Bohrloch herabgelassen wird. Die Messsonde umfasst einen Sender für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 10 bis 100 MHz und zwei zueinander beabstandete Empfänger. Aus den von den Empfängern detektieren Wellen werden aus Phase und Amplitude die Permittivität und die Leitfähigkeit der Erdschichten (als Funktion der Tiefe) bestimmt. DE 28 32 433 A1 zeigt ein ähnliches Prospektionsverfahren für eine Frequenz von etwa 30 MHz.

Es gibt aber auch Anwendungsgebiete, die bisher mit dem aktuellen Stand der Technik nicht erschließbar waren. Dazu zählt z. B. das hochauflösende Permittivitätsmapping im Frequenzbereich unterhalb der Mikrowellenspektroskopie, wobei die Permittivität an einer Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche eines Werkstücks bestimmt wird, um quasi eine „Karte“ der Permittivität des Werkstücks zu erhalten. Besonders hervorzuheben ist die Permittivitätsmessung an elektrisch (schwach) leitfähigen Materialien und Materialverbunden mit guter Eindringtiefe (z. B. etwa 8 mm in multidirektionalem CFK), bzw. die parallele Bestimmung von permittivitäts- und leitfähigkeitsbezogenen Eigenschaften eines Materials.

Induktive Messverfahren, bei denen in einem (elektrisch leitfähigen) Material ein elektrischer Strom induziert wird, sind hingegen zur Charakterisierung der Permittivität von nicht-metallischen oder elektrisch schwach leitenden Werkstoffen bislang noch nicht eingesetzt worden. In üblicher Weise wird bei induktiven Messverfahren die Permittivität eines Materials vernachlässigt.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass es bisher kein Verfahren zur Bestimmung der effektiven Permittivität bzw. für die dielektrische Charakterisierung gibt, das sowohl zerstörungsfrei arbeitet, keinen Kontakt zur Probe erfordert, keine Probenpräparation verlangt, eine hohe Ortsauflösung ermöglicht, für die Charakterisierung komplexer Bauteile geeignet ist und auch an elektrisch (schwach) leitfähigen Materialien einsetzbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zerstörungsfreie, berührungslose Messung dielektrischer Eigenschaften von elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Materialien (umfassend Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Materialverbunde wie z.B. Verbundwerkstoffe) mit guter Eindringtiefe und bei Bedarf hochauflösend sowohl punktuell als auch als Mapping (d. h. Messungen an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen) über zumindest Teilbereiche ihrer dreidimensional strukturierten Oberfläche, mit geringem Aufwand hinsichtlich Zeit-/Personaleinsatz und Präparation der Materialproben zu ermöglichen. Die hierbei eingesetzte Messtechnik soll robust, mappingfähig, inlinefähig (d. h. in der Produktionslinie zur laufenden Messung des Produktes bzw. Überwachung des Produktionsprozesses verwendbar) und an Rohmaterialien, Halbzeugen und Bauteilen unabhängig von deren äußerer Form einsetzbar sein.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Permittivitätsmessung gemäß der Merkmale nach Anspruch 1 und der Verwendung einer Messanordnung gemäß den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst; weitere zweckmäßige Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7 sowie 9; vorteilhafte Verwendungen sind in den Ansprüchen 10 bis 12 aufgezeigt.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe ein induktives Messverfahren vorgesehen, bei dem ein zu untersuchendes Objekt aus einem Werkstoff, der ein elektrisch nicht bzw. schwach leitfähiges (z. B. nicht-metallisches) Material umfasst, einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, wobei eine aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Material verursachte Änderung des elektromagnetischen Wechselfelds zur Charakterisierung der Permittivität genutzt wird.

Das Untersuchungsobjekt, dessen effektive Permittivität gemessen werden soll, kann ein Stück oder eine vorher präparierte Probe eines elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Materials oder ein Werkstück aus einem elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Material sein. Die mit der Erfindung charakterisierbaren Materialien können zum Beispiel nicht-metallische Feststoffe (wie beispielsweise Garne oder Verbundwerkstoffe), Flüssigkeiten und/oder Gase sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Werkstück um ein Teil aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff handeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:
Das Untersuchungsobjekt wird einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Die Frequenz des Wechselfelds liegt in einem Bereich von 1 MHz bis 100 MHz. Diese Frequenz gewährleistet eine hinreichende Eindringtiefe des Feldes auch in elektrisch schwach leitfähige Materialien. Durch die Interaktion des elektromagnetischen Wechselfeldes mit dem Werkstoff kommt es zu einer Veränderung des Feldes (Polarisationseffekte, Verschiebeströme und bei leitfähigen Werkstoffen Wirbelströmen). Diese eben beschriebenen Veränderungen des gesamten elektromagnetischen Wechselfelds durch das Untersuchungsobjekt werden im Folgenden als Antwort des Untersuchungsobjekts bezeichnet. Diese Antwort wird sodann gemessen, das Messsignal aufbereitet (z. B. verstärkt und entrauscht) und mittels geeigneter Auswertealgorithmen die effektive Permittivität bestimmt (kalibriert oder unkalibriert). Diese kann je nach Messaufgabe genutzt werden, um Aussagen bezüglich dielektrischer Materialeigenschaften, dem Materialzustand, der Materialzusammensetzung und/oder geometrischer Eigenschaften des Untersuchungsobjektes abzuleiten.

Im Folgenden wird unter dem Begriff „Erfassen eines Messwertes“ (bzw. „Messwerterfassung“) die Detektion einer physikalischen Größe mittels eines geeigneten Sensors, die Aufbereitung (inklusive Verstärkung) des Messsignals bis hin zur Digitalisierung verstanden.

Das Messen der Antwort kann lokal an einer oder mehreren Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes geschehen, wobei sowohl eine reflektive (d. h., Wechselfelderzeugung und Messung erfolgen bezüglich des zu charakterisierenden Untersuchungsobjektes auf derselben Seite) als auch eine transmissive (d. h., das zu charakterisierende Untersuchungsobjekt ist zwischen Wechselfelderzeuger und Messsensor angeordnet) Anordnung möglich sind. Auch kann das Messen durch Eintauchen mindestens eines Sensors in das Untersuchungsobjekt erfolgen.

Erfindungsgemäß erfolgt das induktive Erfassen der Antwort mittels differentiell verschalteter Spulen, wobei die resultierende/verbleibende gemessene Antwort verstärkt werden kann, um eine höhere Sensitivität zu erreichen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erfassen der Antwort berührungslos. Ein berührungsloses Erfassen der Antwort wird vorzugsweise induktiv erfolgen, wobei z. B. die in einer Spule durch das Wechselfeld erzeugte (Wechsel-)Spannung oder der daraus resultierende (Wechsel-)Strom gemessen wird.

In einer weiteren Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann das Erfassen der Antwort mittels der die Oberfläche des Untersuchungsobjekts kontaktierenden Sensoren erfolgen. Dies bietet bei federnd gelagerten Sensoren den Vorteil eines konstanten Abstands zwischen Sensor und Oberfläche des Untersuchungsobjekts, ohne dass eine aktive z-Achsen Nachführung erforderlich ist. Die (z. B. induktiv arbeitenden) Sensoren können beispielsweise für jede Messung auf die Oberfläche des Untersuchungsobjekts aufgesetzt werden. Sie können aber beispielsweise auch schleifend über die Oberfläche des Untersuchungsobjekts bewegt werden, wobei mehrfach während der Bewegung die effektive Permittivität gemessen werden kann.

Eine Ausgestaltungsvariante des Verfahrens sieht ein Erfassen der Antwort an mehreren Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjekts vor. Diese Positionen können beispielsweise, in Abhängigkeit von der Größe des Untersuchungsobjekts und der zu charakterisierenden Fläche, in einem Raster mit einigen Mikrometern Abstand angeordnet sein. Auf diese Weise wird es möglich, eine Karte der Verteilung der effektiven Permittivität über die charakterisierte Oberfläche des Untersuchungsobjekts zu erstellen (Permittivitätsmapping). So können lokale Änderungen der effektiven Permittivität (z. B. verursacht durch Geometrieabweichungen, Abweichungen der Materialzusammensetzung, Abweichungen des Materialzustands) aufgezeigt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Messung der Permittivität kontaktlos, und damit zerstörungsfrei, erfolgen kann, wobei das Messobjekt in einer Variante lediglich von einer Seite frei zugänglich sein muss. Somit können auch Messungen an Untersuchungsobjekten mit einer beliebigen äußeren geometrischen Form, also auch an vielen komplexen 3D Objekten, durchgeführt werden.

Der für das Verfahren vorzugsweise vorgesehene Frequenzbereich mit im Vergleich zu Mikrowellenverfahren geringen Frequenzen von maximal 100 MHz erlaubt die reproduzierbare Messung an nicht und elektrisch schwach leitfähigen Proben, z. B. Verbundwerkstoffen mit leitfähigen Bestandteilen, Strukturen oder Schichten, da eine ausreichende Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in das Untersuchungsobjekt gewährleistet wird, wobei aufgrund der Verwendung von induktiven Sensoren trotzdem eine gute Sensitivität gegenüber der effektiven Permittivität erzielbar ist.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor, während und/oder nach der Permittivitätsmessung des Untersuchungsobjekts die Permittivität einer in unmittelbarer Nähe zu dem Untersuchungsobjekt angeordneten Kalibrierprobe mit bekannter und zeitlich konstanter effektiver Permittivität gemessen. Somit können eine Bestimmung der absoluten Permittivität eines hinreichend dicken Untersuchungsobjekts durchführbar sein, die Dicke eines Untersuchungsobjekts mit konstanter Permittivität quantifiziert, ein bestimmter Materialzustand identifiziert oder die Zusammensetzung eines Verbundmaterials angegeben werden. Diese Kalibriermessungen können zum Beispiel mit einem zweiten Sensor an der neben dem Untersuchungsobjekt angeordneten Kalibrierprobe erfolgen, sodass Kalibrierprobe und Untersuchungsobjekt gleichzeitig gemessen werden. Eine Kalibrierung kann auch mit nur einem Sensor erfolgen, mit dem abwechselnd Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe gemessen werden, wobei der Sensor zum Beispiel bewegbar angeordnet sein kann, sodass er für jede Messung an die Position von Untersuchungsobjekt bzw. Kalibrierprobe bewegt werden kann.

Es kann auch vorgesehen sein, eine Kalibrierkurve der Frequenzabhängigkeit der Permittivität zu erstellen, indem Kalibriermessungen an der Kalibrierprobe für eine Auswahl an Einzel-Frequenzen des Wechselfeldes oder einen Frequenzbereich durchgeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, eine Kalibrierkurve der Permittivität für eine feste Frequenz zu erstellen, indem Kalibriermessungen an einer Anzahl von Kalibrierproben mit bekannter, aber von Kalibrierprobe zu Kalibrierprobe unterschiedlicher Permittivität durchgeführt werden. Auch kann vorgesehen sein, Kalibrierproben mit bekannten Permittivitäten und Leitfähigkeiten zu verwenden, um diese Eigenschaften voneinander trennen zu können.

Weiterhin kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren für Langzeitmessungen zu verwenden. Die Dauer einer Langzeitmessung kann hierbei beispielsweise im Bereich von wenigen Minuten bis zu mehreren Tagen liegen. Langzeitmessungen können zum Beispiel zur Bestimmung der zeitlichen Veränderung der Permittivität des Untersuchungsobjektes herangezogen werden. Um systematische Drifts in der Messvorrichtung und/oder Veränderungen in der Umgebung (z. B. Temperatur) ausschließen zu können, können bei dieser Variante des Verfahrens regelmäßig (zwischen den Messungen der Langzeitmessung) Kalibriermessungen durchgeführt werden. Hierfür wird ebenfalls eine Kalibrierprobe mit bekannter und zeitlich konstanter Permittivität benötigt. Eine Kontrolle von systematischen Drifts in der Messvorrichtung kann auch wieder durch abwechselndes oder gleichzeitiges Messen von Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe mit einem, beispielsweise beweglich angeordnetem, oder mehreren Sensoren erfolgen. Somit wird eine gesicherte Bestimmung der zeitlichen Änderung der Permittivität des Untersuchungsobjektes möglich.

Die zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Messanordnung wird im Folgenden als Messgerät bezeichnet. Unter dem Messgerät wird also eine Anordnung zur Messung der lokalen, effektiven Permittivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verstanden. Das Messgerät umfasst eine Steuereinheit, ein oder mehrere induktive Bauteile zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise Spulen, und mindestens einen induktiven Sensor, der auch in Form einer Spule ausgebildet sein kann. Die Steuereinheit und die mit dieser verbundenen ein oder mehrere induktiven Bauteile sind derart gestaltet, dass hochfrequente, d. h. in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 500 MHz, vorzugsweise 10 MHz bis 100 MHz, elektromagnetische Wechselfelder erzeugbar sind. Die Steuereinheit und der mit dieser verbundene mindestens eine induktive Sensor sind derart gestaltet, dass Veränderungen der hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelder, hervorgerufen durch eine Wechselwirkung derselben mit dem zu charakterisierenden Untersuchungsobjekt, messbar sind.

Insbesondere ist der mindestens eine Sensor als differentiell verschaltete Spulen ausgeführt, wodurch eine Erhöhung der Sensitivität des Messgeräts ermöglicht ist.

Mit einem derartigen Messgerät können die lokalen dielektrischen Eigenschaften bzw. die Veränderungen der effektiven Permittivität von Feststoffen (z. B. Polymeren, Keramik etc.), Flüssigkeiten, Gasen und Verbundwerksstoffen entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens charakterisiert werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass dieses Messgerät einen oder mehrere Aktoren aufweist, mit denen Bewegungen vom Untersuchungsobjekt, dem mindestens einen Sensor, der ein oder mehreren induktiven Bauteile und/oder Baugruppen des Messgeräts in bis zu sechs Freiheitsgraden ermöglicht werden. Die Aktoren sind vorzugsweise mittel- oder unmittelbar an dem mindestens einen Sensor angekoppelt, sodass dieser beispielsweise relativ zum Untersuchungsobjekt bewegbar ist und/oder zwischen Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe hin und her gefahren werden kann.

Durch die Möglichkeit der Bewegung der ein oder mehreren induktiven Bauteile, des mindestens einen Sensors und/oder Baugruppen des Messgeräts mittels Aktoren kann der Messabstand zwischen dem mindestens einen Sensor und Untersuchungsobjekt frei eingestellt werden. Es kann auch der mindestens eine Sensor für eine Messung zu einer Oberfläche des Untersuchungsobjekts hin bewegt werden, wobei auch ein direkter Kontakt eines Sensors mit der Oberfläche des Untersuchungsobjekts möglich sein kann.

Weiterhin ist vorgesehen, die Steuereinheit des Messgeräts mittels Steuer- und Messsoftware derart zu konfigurieren, dass neben Punktmessungen, d.h. einer Messung an einer Position auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes, auch scannende Messungen, d. h. mehrere nacheinander an unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes durchgeführte Messungen, möglich sind. Die Steuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass mehrere, an verschiedenen Positionen auf der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes aufgenommene Messdaten nachfolgend zu einem Bild zusammensetzbar sind. Auf diese Art kann mittels der Steuereinheit auch eine zweidimensionale Karte (Mapping) der effektiven Permittivität auf der Untersuchungsobjektoberfläche erstellt werden, womit lokale Unterschiede in der effektiven Permittivität aufgezeigt werden können. Permittivitätsmapping kann beispielsweise zur Identifikation lokaler Aushärtedefekte („Hot-Spots“) an elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffen (z. B. Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen – CFK) eingesetzt werden.

Für die scannenden Messungen kann auch vorgesehen sein, nicht nur den mindestens einen Sensor und/oder das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetsichen Feldes, sondern auch das Untersuchungsobjekt oder den Träger, auf welchem das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, oder Träger und Untersuchungsobjekt in mindestens einem Freiheitsgrad zu bewegen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung des Messgeräts ist, dass durch die Möglichkeit der Messung an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes eine hochauflösende, zweidimensionale Karte der Permittivität erstellt werden kann. Außerdem können auch Untersuchungsobjekte, die eine unregelmäßige Oberflächentopologie, d. h. keine plane Oberfläche, aufweisen, durch die Möglichkeit der Positionierung des mindestens einen Sensors mit einem definierten Abstand bezüglich der Oberfläche des Untersuchungsobjektes scannend gemessen werden.

Die Steuereinheit kann weiterhin derart konfiguriert sein, dass sie eine Umrechnung von gemessenen Rohdaten in Daten zur lokalen effektiven Permittivität und deren Auswertung, beispielsweise hinsichtlich dielektrischer Materialeigenschaften, dem Materialzustand, der Materialzusammensetzung und/oder geometrischer Eigenschaften des Untersuchungsobjektes, mit speziellen Algorithmen durchführen und die durch die Auswertung erhaltenen Daten über eine Schnittstelle ausgeben oder auf einem Anzeigegerät, beispielsweise einem internen oder externen Monitor oder einem Plotter, darstellen kann.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Untersuchungsobjekt auf einem Lauf bzw. Transportband positioniert ist, wobei das erfindungsgemäße Messgerät zur Messung der Permittivität über und/oder unter oder neben dem Transportband in der Art angeordnet ist, dass mittels des mindestens einen Sensors Permittivitätsmessungen des Untersuchungsobjekts durchführbar sind. Beispielsweise kann das Messgerät in einer Produktionslinie in Brückenbauweise über einer Bahnware, z. B. nach Auftragen des Harzes auf Verstärkungstextil, installiert sein. Durch die Positionierung des Untersuchungsobjekts auf einem Laufband ist zusätzlich eine Bewegung des Untersuchungsobjekts in mindestens einem Freiheitsgrad realisierbar.

Die Erfindung kann weiter vorteilhaft wie folgt ausgebildet sein, dass das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und der mindestens eine Sensor auf derselben Seite bezüglich des Untersuchungsobjektes angeordnet sind, beispielsweise sind beide nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, sodass in Reflexion gemessen wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Untersuchungsobjekt zwischen dem mindestens einen induktiven Bauteil und dem mindestens einen Sensor positioniert ist, sodass in Transmission gemessen wird.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das Messgerät eine Probenträgereinrichtung, beispielsweise einen Arbeitstisch oder einen Behälter, aufweist, auf welcher das Untersuchungsobjekt für die Messung der Permittivität angeordnet und/oder fixiert, bzw. bei flüssigen oder semiflüssigen oder gasförmigen Untersuchungsobjekten hineingegeben wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Probenträgereinrichtung von mindestens einem Aktor in mindestens einem Freiheitsgrad bewegt werden kann. Bei Untersuchungsobjekten mit einfacher Geometrie oder Messungen auf nur einer Seite des Untersuchungsobjektes können hierbei zum Beispiel herkömmliche x-y-Tische für die Erzeugung der Bewegung genutzt werden. Es können aber auch beispielsweise bekannte Wirbelstrom-Geräte verwendet werden, welche initial nicht für die Charakterisierung von nicht oder schlecht leitfähigen Werkstoffen konzipiert worden waren.

Es können auch auf der Probenträgereinrichtung an einer von den die Bewegung der Trägereinrichtung und/oder des mindestens einen Sensors steuernden Aktoren während des Betriebs des Messgeräts für den mindestens einen Sensor erreichbaren Position eine oder mehrere Kalibrierproben mit bekannter Permittivität angeordnet sein. Diese Kalibrierproben können elektrisch leitfähig und/oder isolierend sein. Somit wird es möglich, durch Messung der Kalibrierproben sowie gegebenenfalls Erstellen einer Kalibrierkurve und anschließende bzw. vorherige Messung des Untersuchungsobjektes eine absolute Permittivität zu bestimmen bzw. den optimalen Phasenwinkel zur Trennung von leitfähigkeitsbezogenen und permittivitätsbezogenen Probeneigenschaften zu identifizieren.

Diese Kalibrierproben können auch zur Bestimmung von systematischen Drifts des Messgeräts bzw. der Sensoren zur Messung der Permittivität über einen vorgegebenen Zeitraum herangezogen werden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass entweder nur der mindestens eine Sensor oder den mindestens einen Sensor umfassende Baugruppen des Messgeräts oder auch das komplette Messgerät an einer Kinematik, wie beispielsweise einem Roboterarm oder einer Parallelkinematik in Form eines Hexapods, befestigt ist, wobei die Kinematik eine Bewegung in mindestens einem Freiheitsgrad erlaubt. Mit Hilfe der Kinematik kann somit vor jeder Messung der mindestens eine Sensor in Bezug zu der Oberfläche des Untersuchungsobjektes positioniert werden. Insbesondere bei Verwendung einer Kinematik mit fünf oder sechs Freiheitsgraden kann für Messungen an Untersuchungsobjekten mit nicht-planaren Oberflächen oder für ein Mapping eines Teils oder der gesamten Oberfläche eines Untersuchungsobjektes mit komplexer äußerer Form der mindestens eine Sensor mit Hilfe der Kinematik beliebig im Raum positioniert werden.

In einer anderen Ausgestaltungsvariante des Messgeräts kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und der mindestens eine Sensor als ein einziges Bauteil ausgeführt sind (als eine sogenannte Absolutspule).

Die Erfassung der lokalen effektiven Permittivität des von der Messanordnung erfassten Volumens eines Untersuchungsobjektes ermöglicht lokale Aussagen oder ein Erstellen von Homogenitätskarten über dielektrische Materialeigenschaften, Materialzusammensetzung, Materialzustand und/oder geometrische Eigenschaften sowie über Änderungen dieser Eigenschaften über der Zeit. Wenn nötig, werden Daten zur lokalen effektiven Permittivität von anderen Einflüssen, z. B. der lokalen Leitfähigkeit, des Untersuchungsobjektes getrennt. Somit ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und das Messgerät zur Durchführung des Verfahrens, einschließlich ihrer unterschiedlichen Ausgestaltungen, folgende Anwendungen:

  • – Qualitative bzw. quantitative, zeitliche Überwachung des Permittivitätsverlaufes: z. B. zur Aushärteprozesskontrolle. So kann eine Permittivitätsmessung während des Aushärtevorgangs eines Polymers die Topfzeit und den Zeitpunkt der vollständigen Aushärtung bestimmen und so den Prozess steuern bzw. überwachen.
  • – Quantitative Permittivitätsmessung: z. B. zur Charakterisierung neuer Werkstoffe im Labor.
  • – Sollwertprüfung der Permittivität eines Materials: z. B. Permittivitätsbestimmung eines Polymers nach der Aushärtung als Indikator für den erreichten Vernetzungsgrad bzw. Aushärtegrad und Vergleich mit einem definierten Sollwert.
  • – Homogenitätsprüfung des Materials bzw. der Materialzusammensetzung eines Werkstücks oder Bauteils: z. B. Permittivitätsmessung nach der Aushärtung eines Polymers zur Identifikation lokaler Aushärtefehler wie „Hot-Spots“ (Permittivitätsmapping, Homogenitätsprüfung der Permittivität).
  • – Struktur- und Texturanalyse von Verbundwerkstoffen, die mit elektrisch nicht leitfähigen Fasern verstärkt sind (z. B: Glasfaserverstärkte Kunststoffe) durch hochauflösendes Mapping lokaler Permittivitätsunterschiede, die durch Permittivitätsunterschiede zwischen Matrixmaterial und Verstärkungsfaser herrühren
  • – Analyse des Temperaturverhaltens der Permittivität: z. B. zur Charakterisierung von Glasübergangstemperaturen bei Polymeren.
  • – Analyse des Frequenzverhaltens der Permittivität durch Messung mit verschiedenen Frequenzen
  • – Kontrolle der äußeren Form, Abmaße und Maßhaltigkeit von nicht-metallischen Bauteilen: z. B. Dicke von Folien, Schichtdicke von low k und high k Dünnschichten, Maßhaltigkeit/Existenz von versteckten Bohrungen oder Nuten in Kunststoffteilen
  • – Analyse der volumenmäßigen Zusammensetzung, bzw. bei bekannter Dichte auch massemäßigen Zusammensetzung, von Materialverbunden/Verbundwerkstoffen: z. B. Bestimmung von Faser und Harzgehalt bei Kohlenstofffaser-Preprags, Halbzeugen und Fertigteilen bzw. von einem kombinierten Glasfaser- und Harzgehalt bei Kohlenstofffaser/Glasfaser-Verbunden.
  • – Inline-Überwachung einer kompletten Prepregwarenbahn auf Harz- und Textilanteil.
  • – Bestimmung des Wasser-/Feuchtegehalts eines Materials oder einer Schicht, z. B. zur Steuerung von Trocknungsprozessen
  • – Überwachung von Alterungs-/Wassereinlagerungsprozessen.
  • – Überwachung von chemischen und physikalischen Abbauprozessen/Alterungserscheinungen (wie z. B. Wassereinlagerungen, thermische Abbauprozesse/Schäden durch Blitzschlag, Abbauprozesse durch Strahlung, Delaminationen etc.), die während des Einsatzes an nicht-metallischen Werkstoffen bzw. Verbundwerkstoffen auftreten und sich in einer Permittivitätsänderung äußern. Das erlaubt je nach Material Rückschlüsse auf den Schädigungsgrad bzw. die Bauteilsicherheit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; Dazu zeigen in schematischer Darstellung die

1: das erfindungsgemäße Messgerät;

2: das erfindungsgemäße Messgerät mit integriertem Sensor;

3: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät für Langzeitmessung;

4: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät mit integriertem Sensor;

5: das erfindungsgemäße Messgerät als Handgerät im Querschnitt;

6: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät für Aushärtkontrollen im Querschnitt.

Das Messgerät 1 zur Messung der Permittivität gemäß 1 weist den Probentisch 2 und den induktiven Sensor 3 in Form einer Spule auf. Der Sensor 3 ist über eine Feder (nicht dargestellt) mit einer ersten Verfahreinrichtung 5.1 verbunden, die eine Bewegung des Sensors relativ zum Probentisch 2 in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Oberfläche des Probentisches 2, ermöglicht. Die erste Verfahreinrichtung 5.1 ist außerdem in der Art mit einer zweiten Verfahreinrichtung 5.2 verbunden, dass die erste Verfahreinrichtung 5.1 sowie der daran angeordnete Sensor eine Bewegung relativ zum Probentisch 2 in x-Richtung durchführen können. Auf dem Probentisch 2 ist eine dritte Verfahreinrichtung 5.3 angeordnet, die eine Bewegung der daran angeordneten zweiten 5.2 und der ersten Verfahreinrichtung 5.1 sowie des Sensors 3 relativ zum Probentisch 2 in y-Richtung erlaubt.

Auf dem Probentisch 2 liegt ein Untersuchungsobjekt 7, dessen Permittivität vom Sensor 3, der über die Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 über die gesamte Oberfläche des Untersuchungsobjekts 7 verfahrbar ist, messbar ist. Neben der Messung einzelner Punkte auf der Oberfläche des Untersuchungsobjekts 7 ist mit diesem in 1 gezeigten Messgerät 1 auch ein Permittivitätsmapping, also das Erstellen einer zweidimensionalen Karte der Permittivität möglich.

In einer Variante in der in Transmission gemessen wird, wird ein Teil, also Felderzeugung oder Feldmessung in dem Probentisch 2 synkron mitverfahren (Verfahrachsen im Probentisch sind nicht dargestellt).

Zu Kalibrierungszwecken sind auf dem Probentisch 2 noch zwei Kalibrierungsproben 9 vom Sensor 3 über die Verfahreinrichtungen 5.3 und 5.2 erreichbar angeordnet

Bei dem Messgerät 1 gemäß 2 sind Steuereinheit, ein induktives Bauteil (beide in 2 nicht dargestellt) und Sensor 3 in den Probentisch 2 integriert. Somit ist bei diesem Messgerät nur die Messung in Reflektion möglich. Der Sensor 3 ist aufgrund des festen Einbaus in den Probentisch 2 nicht beweglich. Stattdessen wird das Untersuchungsobjekt ggf. auf einem Schlitten (in 2 nicht dargestellt) mittels der Verfahreinrichtungen 5.2 und/oder 5.3 über den Sensor hinwegbewegt, sodass auch mit diesem Messgerät ein Mapping des Untersuchungsobjektes möglich ist.

Diese Ausgestaltungsvariante des erfindungsmäßen Messgeräts 1 bietet sich insbesondere für den Laborbereich an, da es kompakt und robust, aber nur für planare oder leicht gewölbte Einzelproben geeignet ist.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 gemäß 3 ist für Langzeitmessung eines Untersuchungsobjektes 7 konzipiert. Der Sensor 3 ist bei diesem Gerät mittels Verfahreinrichtung 5.2 und 5.1 nur in x- und z-Richtung verfahrbar. Auf dem Probentisch 2 ist neben dem Untersuchungsobjekt 7 eine Kalibrierprobe 9 angeordnet, zu der der Sensor 3 mittels der Verfahreinrichtung 5.2 hinbewegt werden kann. So können vollständig automatisch Langzeitmessung mit automatisierter Wiederholung von Referenz- oder Kalibriermessungen durchgeführt werden.

Das Messgerät 1 gemäß 3 ist von den Abmaßen so ausgelegt, dass es als Tischgerät auf einem Labortisch Platz finden kann. Diese Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerät 1 ermöglicht eine kurze Verweildauer des Sensors 3 in Messposition und permanenten Abgleich der mit dem Sensor 3 gemessenen Permittivitätsdaten mit der Kalibrierprobe 9 an einer Kalibrierposition. Diese Art der Permittivitätsmessung ist z. B. zur Überwachung des Aushärtevorgangs bei einem Untersuchungsobjekt 7 einsetzbar.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 gemäß 4 ist für eine Sollwertprüfung oder für Langzeitmessung eines Untersuchungsobjektes 7 vorgesehen. Bei dem Messgerät 1 gemäß 4 sind Steuereinheit, induktives Bauteil (beide in 4 nicht dargestellt) und Sensor 3 in den Probentisch 2 integriert. Das Untersuchungsobjekt (in 4 nicht dargestellt) wird mittels der Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 über den Sensor in x- und y-Richtung bewegt. Zusätzlich ist ein zweiter Sensor (in 4 nicht dargestellt) in den Probentisch 2 integriert, welcher unter einer Kalibrierprobe 9 angeordnet ist. Auch die Kalibrierprobe 9 kann über Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 in x- und y-Richtung bewegt werden. Der Sensor 3 und der unter der Kalibrierprobe 9 angeordnete Sensor (in 4 nicht dargestellt) sind aufgrund des festen Einbaus in den Probentisch 2 nicht beweglich.

Der Sensor 3, welcher im Betrieb des Messgeräts 1 unter dem Untersuchungsobjekt 7 positioniert ist, und der Sensor unter der Kalibrierprobe 9 sind differenziell gegeneinander verschaltet. Auf diese Art ist eine direkte Messung der Permittivitätsabweichung des Untersuchungsobjekts 7 gegenüber der Kalibrierprobe 9 möglich.

5 zeigt im Querschnitt das erfindungsgemäße Messgerät 1 als Handgerät für die Überprüfung eines Permittivitätssollwertes (z.B. Lackdickenmessung auf leitfähigem Material). Der Sensor 3 ist an einer Spitze angeordnet, welche das Handgerät an seinem vorderen Ende aufweist. Im Gehäuse 10 des Handgeräts ist eine auswechselbare Kalibrierprobe 9 und ein Sensor 4 für eine Messung an der Kalibrierprobe 9 angeordnet. Die Sensoren 3 und 4 können (je nach Anwendung) differenziell verschaltet werden. Außerdem sind eine Steuereinheit 11 und eine Spule als induktives Bauteil 13 im Gehäuse 10 des Handgeräts angeordnet. An der Außenseite des Handgeräts ist eine optische Anzeige 15 angeordnet, die wahlweise rot oder grün leuchten kann. Die Steuereinheit 11 ist mit den Sensoren 3 und 4 und der optischen Anzeige 15 verbunden und derart konfiguriert, dass die optische Anzeige 15 grün leuchtet, wenn die mit dem Sensor 3 gemessene Permittivität des Untersuchungsobjektes 7 sich (innerhalb einer vorgegebenen Fehlertoleranz) nicht von der mit dem Sensor 4 an der Kalibrierprobe 9 gemessenen Permittivität unterscheidet. Bei einer gemessenen Differenz der Permittivitäten von mehr als der vorgegebenen Fehlertoleranz wird die optische Anzeige 15 von der Steuereinheit 11 derart angesteuert, dass sie rot leuchtet.

Die Steuereinheit 11 umfasst außerdem einen Flashspeicher (in 5 nicht dargestellt), in dem die Messergebnisse gespeichert werden können. Über eine Thunderbolt-Schnittstelle 11.1 an der Steuereinheit 11 können die Daten zu einem Computer übertragen werden. Ebenso ist es möglich, einen externen Monitor an die Thunderbolt-Schnittstelle 11.1 anzuschliessen, auf dem die Messergebnisse angezeigt werden können.

6 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 in Form eines Tischgeräts für Untersuchungen zum Aushärten von Kompositmaterialien auf Harz- oder Silkonbasis. Das Untersuchungsobjekt 7 in Form eines noch flüssigen Ausgangsmaterials wird in einen zylinderförmigen Probenbehälter 17 gefüllt, welcher anschließend in das Messgerät 1 in der Art eingesetzt wird, dass eine Längsachse des zylinderförmigen Probenbehälters 17 mit einer Längsachse einer in des Messgeräts 1 angeordneten Sensorspule 3 zusammenfällt, wobei die Sensorspule 3 den Probenbehälter 17 nach dem Einsetzen umschließt.

Die Sensorspule 3 ist mit einer Verfahreinrichtung 5.1 verbunden, die ein Verfahren des Sensors 3 in z-Richtung, d. h. parallel zu seiner Längsachse, ermöglicht. So kann der Sensor 3 entlang der Längsachse des zylinderförmigen Probenbehälters 17 über die gesamte Länge des Untersuchungsobjektes 7 verfahren werden. Außerdem ist in dem Messgerät eine Kalibrierprobe 9 an einer Position angeordnet, die von dem Sensor 3 mittels der Verfahreinrichtung 5.1 erreichbar ist.

Bezugszeichenliste

1
Messgerät zur Messung der Permittivität
2
Probentisch
3
Sensor
4
zweiter Sensor
5.1
Verfahreinrichtung z-Richtung
5.2
Verfahreinrichtung x-Richtung
5.3
Verfahreinrichtung y-Richtung
7
Untersuchungsobjekt
9
Kalibrierprobe
10
Gehäuse
11
Steuereinheit
11.1
Thunderbolt-Schnittstelle
13
induktives Bauteil/Spule
15
optische Anzeige
17
Probenbehälter