Mérési módszerek áttekintése

A villamos vezetőképességű anyagok dieletromos állandójának és dielektromos veszteségi tényezőjének mérése összetett és nehéz feladat. A hagyományos mérési eljárások például az ionos folyadékok és az elektrolitok estében használhatatlanok, a minta villamos vezetése miatt. [Wakai et al., (2005)] Az alkalmazott eljárás megválasztásánál fontos figyelembe venni a minta elektromos és fizikai tulajdonságait, a vizsgálni kívánt frekvencián és a mérési módszer alkalmasságát a megkívánt pontosság eléréséhez. Az egyik legnehezebb feladat a pontos dielektromos tulajdonságok meghatározása a mintatartó kialakításának és geometriai méretének függvényében. A mérési elrendezés, mint áramkör pontos modellezése lehetővé teszi a mérési adatok alapján a permittivítás értékének meghatározását.

A dielektromos tulajdonságok mérésére sok módszert dolgoztak ki az elmúlt évek folyamán. Fontos, hogy a vizsgálandó anyag fizikai és elektromos tulajdonságaihoz legjobban illeszkedő módszert válasszuk a mérési eljárás megtervezésekor. Minden eljárás rendelkezik előnyökkel és hátrányokkal is, a kiválasztás során a két legfontosabb szempont a mérési tartomány meghatározása és a megkívánt pontosság figyelembe vétele. A mérési módszer kiválasztása előtt fontos, hogy ismerjük a leggyakrabban használt eljárások tulajdonságait. A következőkben néhány, az irodalomban is jól leírt eljárás összehasonlítása alapján lehetőség nyílik a legalkalmasabb módszer kiválasztására.

Zavarkeltési technika

A leggyakrabban használt technika az anyagok dielektromos állandójának és veszteségi tényezőjének meghatározására, amely a reflexiós tényező vagy rezonancia frekvencia meghatározásán alapul. A rezonancia frekvencia mérésén alapuló eljárás esetén a vizsgálandó anyagot egy rezonátorba helyezik és a rezonancia frekvenciának az üres állapothoz viszonyított megváltozásából kiszámítható a minta permittivítása. Ez a módszer az un. zavarási elméleten alapul, ahol a mintának kellően kicsinek kell lenni, hogy a minta behelyezésekor a mikrohullámú téreloszlás csak kismértékben változzon meg. Ezt az eljárást főként egyszerűsége miatt gyakran alkalmazzák homogén eloszlású minták esetén, egyszerű mérhetőség, széles hőmérséklettartomány jellemzi, és nagy pontosságot biztosít alacsony dielektromos veszteségű anyagok mérése esetén. A jósági tényező (Q = a belépő és a visszavert energia aránya) megváltozásából számítható a veszteségi tényező. A homogén szigetelő anyagok dielektromos állandójának és veszteségi tényezőjének meghatározására új eljárást fejlesztettek ki. [Kumar, Sharma (2007)] Egy speciális rezonáns üreget terveztek egy apró nyílással a hullámvezető szélesebb oldalának közepén, a minta behelyezése céljából. A mérési eredményeket teflon minta esetén egy táblázatba foglalták. Megfigyelték, hogy a megtervezett üregben a minta dielektromos paraméterei nagy pontossággal mérhetőek.

Hullámvezető és koaxiális tápvonal technika

Ezzel az eljárással a hullámvezető tápvonal elmélet alapján tudjuk a minta dielektromos tulajdonságait meghatározni. Az elméletnek megfelelően az ε’ és az ε” értékét a mintából visszaverődött jel amplitúdója és fázisa alapján határozhatjuk meg. A minta lehet szilárd vagy folyékony halmazállapotú, és a mintát a rövidre zárt tápvonal végével szemben helyezik el. A módszeren alapuló mérési eljárást [Charreyere et al., (1984)] írta le. A szárított zeloit folytonos mérése során kapott eredményeket annak illusztrálására közölték, hogy bemutassák, hogyan változik az anyag permittivítása, miközben a minta kölcsönhatásba kerül az elektromágneses térrel. A henger alakú minta egy szabványos hullámvezetőben van elhelyezve, párhuzamosan az elektromágneses térrel, aminek eredményeként a mintában állandó, változatlan elektromágneses tér alakul ki. Az eljárás értelmében két pár érzékelőt helyeznek el a hullámvezetőben, a párokat λg/4 távolságra, az egyes érzékelőket λg/8 távolságra egymástól. Az eljárás lényege a hullámvezetőbe helyezett minta hatására megváltozó fázis eltolódás kompenzálása. A kompenzáció megvalósításához egy változtatható pozíciójú rövidzárat helyeznek el e minta mögött, melyet egy kiindulási pozícióból (minta nélküli állapot) mozdítanak el. Az első pár érzékelő az álló hullám amplitúdóját érzékeli a második pár jelei alapján vezérlik a rövidzár pozícióját. Az eljárás pontosságát a négy detektorról érkező jel pontossága határozza meg. Ennek érdekében a detektorok jeleit nagy gondossággal kalibrálják. A kalibráláshoz teflont használtak, a mérési eltéréseket és az adatok szórását nem publikálták.

Nyitott végű érzékelőt alkalmazó eljárás

Az eljárás során egy csúccsal ellátott koaxiális vezető érzékeli a vizsgált mintából visszaverődő jelet. A dielektromos tulajdonságok mérése folyamán a csúcs kapcsolatban van a mintával úgy, hogy szilárd anyag esetén egy sima felülethez érintik, folyadék esetén belemerül. A dielektromos állandó és a dielektromos vesztéség értékét a mintából visszaverődő jel amplitúdója és fázisa alapján határozzák meg, amelyet a mintában elhelyezett nyitott végű koaxiális vezető végén mérhetünk. Ez az eljárás 915 és 2451 MHz –en használható olyan anyagok esetében, melyek veszteségi tényezője egynél nagyobb.

Időtartománybeli spektroszkópia

Habár ez az eljárás meglehetősen költséges, kiváló eljárás az elektromágneses tér és az anyag kölcsönhatásának vizsgálatára széles frekvencia tartományban. [Afsar et al., (1986)]

Az időtartománybeli spektroszkópia, más néven reflektrometria, a vizsgált anyag reflexiós tulajdonságait használja fel a dielektromos tulajdonságok számításához.

Az eljárás igen gyors, a pontossága nagyon nagy, mindössze pár százalékos hibával működik.

Szabadterű átvitel

A szabadterű mérési eljárások a nem romboló és érintkezés-mentes technikákhoz sorolhatóak. Ezek az eljárások részlegesen alkalmasak magas hőmérsékletű és inhomogén anyagok vizsgálatához. Ráadásul a szabadterű eljárások jól illeszthetőek a folyamatos ellenőrzést és szabályozást alkalmazó ipari eljárásokhoz [Kraszewski, (1980)]. A dielektromos tulajdonságok méréséhez a mintát az adó- és a vevőantenna között helyezik el és a jel fázistolását mérik. Az eljárás pontosságát elsősorban a mérőrendszer kialakítása határozza meg, valamint a számítás során felhasznált összefüggések mérési elrendezésre vonatkoztatott helyessége. A többszörös reflexió és a minta élein kialakuló szóródás jelensége a hibák legfőbb forrása a mérés során.

Figyelembe véve a dielektromos tulajdonságok mérésére használt leggyakoribb eljárásokat, a következő fontos következtetéseket tehetjük:

- A méréshez alkalmas eljárások a vizsgált anyag elektromos és fizikai paramétereitől függenek az adott mérési frekvencián és a megkívánt pontosságon.

- A mintatartóknak a vizsgált anyaghoz történő kialakítása nagyon fontos szempontja a mérési eljárás megtervezésének. A mintatartó méretei (átmérője) a minta várható dielektromos tulajdonságaitól függenek, és meghatározzák a rövidzár eltolódásának nagyságát. (pl: a hullámvezető és koaxiális tápvonal eljárást alkalmazó mérési módszerek esetén).

- A zavarásos technika alacsony veszteségi tényezőjű anyagok esetén kellően nagy pontosságot biztosít (kivéve folyadékok, jól vezető anyagok és magas veszteségi tényezőjű anyagok esetén).

- Az időtartománybeli spektroszkópiát alkalmazó eljárás nagyon gyors és nagyon pontos, habár ez a módszer meglehetősen drága.

- Szabadterű technika alkalmazása esetén a többszörös visszaverődések és a szóródás hibákat okoz.

- Folyadékok esetén a nyitott végű koaxiális vezető szenzorok széles sávú permitivitás tartományban alkalmazhatók, bár az anyagban előforduló sűrűségváltozások hibákat okoznak, mint például a minta és a koaxiális szenzor vége között található buborékok.

- Az anyagból visszaverődő mikrohullámú jelek érzékelésén alapuló eljárások (mint például a hullámvezető és koaxiális eljárás) lehetővé teszik a széles frekvenciatartományban végzendő vizsgálatokat. Ezen eljárások alkalmazása mind szilárd, mind folyékony anyagok dielektromos tulajdonságainak vizsgálatainak esetében megfelelő pontosságot biztosítanak.

A fenti szempontok figyelembevételével a kutatás egyik vagy legfőbb célja egy egyszerű, de megfelelő pontosságot biztosító mikrohullámú technika kidolgozása, amely 2,45 GHz frekvencián alkalmas magas vezetőképességű folyadékok dielektromos tulajdonságainak (permittivitás és dielektromos veszteség) a

mérésére. Egy olyan eljárás kidolgozása a cél, amely alkalmas a permitivitás és dielektromos veszteség meghatározására egy adott hőmérsékleten és a dielektromos tulajdonságok mérésére is folyamatosan változó hőmérséklet mellett. A fentiek figyelembevételével a megfelelő módszer a nagy teljesítmény sűrűséget alkalmazó hullámvezető eljárás (a legtöbb hagyományos eljárás csak mW-os teljesítményt használ). Ebben a mérési elrendezésben a minta egy dióda detektorokkal ellátott szabványos mikrohullámú tápvonalban helyezkedik el, ahol a detektorok érzékelik az elektromágneses tér változását a mikrohullám és a minta kölcsönhatásakor. Az állóhullám alakzat adott forma szerinti szabályozására a tápvonal egy változtatható pozíciójú rövidzárral van ellátva.

A legfontosabb szempont a mérés pontosságának biztosítása. Ennek érdekében a méréseket azonos körülmények között kell végezni (azonos mikrohullámú teljesítmény, hőmérséklet stb.), ahogyan azt a gyakorlati mikrohullámú kezeléseknél alkalmazzák. Ennek megfelelően a mérés során a mikrohullámú energiát kell felhasználni a minta melegítésére, miközben meghatározzuk a vizsgált anyag dielektromos tulajdonságait a hőmérséklet függvényében. A legfontosabb a mérés előkészítése során a pontos kalibráció. A mérés pontossága a detektorok jeleinek pontosságától függ. Ezért a kalibráció megkönnyítésére egy automatikus kalibráló eljárás kidolgozása szükséges, továbbá – mint az a hivatkozott publikációkból is látszik- a mintatartó átmérőjének kalibrálása is fontos feladat.