DE2857389A1

DE2857389A1 - Identifizierung von materialien mittels ihres komplexen dielektrischen verhaltens

Info

Publication number: DE2857389A1
Application number: DE19782857389
Authority: DE
Inventors: Larry H Capots; William D Gregory; Luigi Morelli; Iii John Muhlke; Jun Thomas A Nolan
Original assignee: Georgetown University
Current assignee: Georgetown University
Priority date: 1977-11-01
Filing date: 1978-11-01
Publication date: 1980-05-22
Also published as: NL176810B; NL7815048A; SE440557B; FR2433187A1; CA1142228A; EP0001919A1; GB2041533A; FR2433187B1; WO1979000257A1; NL176810C; IT1100002B; JPS54500043A; SE8000554L; IT7829252A0; CH650338A5; GB2041533B

Description

KUKNEN & WACKER

PATENTANWALT3BÜRO

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R.-Λ. KÜHNEN*, ριπ.-i.v.

VV. LUDERSCHMiOT**, dr. mn ti«μ

I'.-A. VVACKEK*. ini'i. -i\{.. ni;; -vvikt-λ η -inc,

Georgetown University
Washington, D.C, USA

Identifizierung von Materialien mittels ihres komplexen dielektrischen Verhaltens

Die Erfindung betrifft das Prüfen von Materialien, insbesondere nicht-homogenen Materialien

Diese Materialien sind Mischungen aus Materialien mit zwei oder mehreren Bestandteilen mit voneinander jeweils sehr unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und Dielektrizitätskonstante. Derart zusammengesetzte Materialien bzw. Stoffe werden wegen ihrer elektrischen Eigenschaften oft als "nicht-homogen" bezeichnet. Beispiele dieser Art von Stoffen sind Sprengstoffe, die aus den eigentlichen Sprengstoffmolekülen mit hoher Dielektrizitätskonstante und aus inertem Füllstoff, wie z.B. Sägemehl bzw. -staub, mit verhältnismäßg niedriger Dielektrizitätskonstante zusammengesetzt sind; ein weiteres Beispiel stellt eine Mischung von Erde und Wasser dar, welche zwar in der Konsistenz einheitlich erscheinen mag, aber trotzdem haben Erde und Wasser deutlich verschiedene Charakteristika.

Weitere Beispiele sind Wasser und aufgechlämmte Stoffe oder sogar auch durchwachsenes Fleisch, bei dem die Be-

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standteile mageres Muskelgewebe und Fettgewebe sind.

Seit langem besteht der Bedarf für einen schnellen, zerstörungsfreien Test für inhomogene bzw. nicht-homogene Stoffe, mit dem diese leicht identifizierbar und/oder ihre Eigenschaften feststellbar sind. Zwei unmittelbare Anwendungsgebiete für solche Tests sind die Erkennung von Briefbomben und die Analyse von Erde.

Bezüglich der Sicherheitsüberwachung ist die Möglichkeit, Sprengstoffe in kleine Umschläge zu verpacken und mit der Post zu versenden,.ein seit langem bestehendes Sicherheitsproblem. Bezüglich der Analyse von Erde besteht der Bedarf für einen schnellen Bodentest auf dem Feld, der z.B. Informationen zum Feuchtigkeitsgehalt oder zu mechanischen Eigenschaften lieferte

Es ist bekannt, daß beide dieser Stoffe unterschiedliche Leitfähigkeitsverhalten bzw. -charakteristika haben, die bei bestimmten Frequenzbereichen nicht linear sind. Diese Kenntnis kann zur Identifizierung und Analyse solcher Materialien benutzt werden_o

Demgemäß ist es Aufgabe der Erfindung, einen zerstörungsfreien Test für nicht-homogene Materialien zu schaffen, bei welchen zumindest eines der Bestandteile eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist, bzw. ein elektronisches Prüfgerät zu schaffen, in dem die elektrischen Eigenschaften der Materialien dazu benutzt werden, über deren Art und Zusammensetzung Aufschluß zu geben.

Das Verfahren umfaßt dabei die Schritte a) der Erfassung der Leitfähigkeitseigenschaft während des Durchgangs zwischen zwei Platten, welche ein Teil eines kapazitiv reagierenden elektrischen Netzwerks sind, und b) des

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Anlegens einer Wechselspannung an diesen zwei Platten mit einer Frequenz, welche gemäß der Anzeige früherer Tests eine relativ hohe Leitfähigkeit für den interessierenden Stoff erzeugen.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist vor allem in der Benutzung der Leitfähigkeitseigenschaften von inhomogenen bzw. nicht-homogenen Materialien zu Testzwecken zu sehen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist in der Möglichkeit zu sehen, Materialien in einem geschlossenen Behälter prüfen nu können.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Schaffung einer Testmöglichkeit, mit der Pakete und z.B. auch Briefe auf Sprengstoffe hin identifiziert werden können.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Schaffung einer Prüfmethode, mit der fast Sofort-Ergebnisse geliefert werden und die es erlaubt, viele Objekte mit hoher Geschwindigkeit zu untersuchen.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Gerätes ist die Benutzung der Daten von Leitfähigkeitskurven, welche auf Frequenzantworten basieren, um inhomogene Stofftypen zu unterscheiden, die hochdielektrische Teile anderer Stofftypen aufweisen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung des Leitfähigkeitspegelverhaltens und des Kurvenverlaufs der Leitfähigkeitskurven zur Unterscheidung verschiedener Stofftypen und um Informationen über die Konzentration des Bestandteils mit hoher Dielektrizitätskonstante erhalten zu können_o

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Noch ein weiteres Merkmal der Erfindung ist der Bau eines Gerätes, mit welchem vorteilhafterweise die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts in inhomogenen Stoffen, wie z.B. in Erde, durchgeführt werden kann.

Fig. 1 zeigt Kurven, die die Leitfähigkeit als Funktion der Frequenz darstellen, und veranschaulicht das Leitwert-Verhalten einiger Sprengstoffe im Vergleich zu anderen Stoffen_o

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung vom Leitwert als Funktion der Frequenz für einige Sprengstoffe und Nicht-Explosivstoffe, welche den höheren Leitwertpegel von Sprengstoffen veranschaulicht.

Fig. 3 ist ein Diagramm der Kapazität als Funktion der Frequenz, welches Kurven für einige Sprengstoffe und Nicht-Explosivstoffe zeigt.

Fig. 4 ist ein Vektordiagramm für einen typisch kapazitiven Bestandteil, das sowohl die kapazitive als auch die Widerstandskomponente zeigt, die beide von Interesse sind.

Fig. 5 ist die Kurvendarstellung typischer Kurven für Sprengstoffe, die den Änderungsgrad in der Leitwertkurve bezüglich der Sprengstoffkonzentration darstellte

Fig. 6 stellt einen Schaltkreis zur Erkennung der Leitwertänderung dar, welcher ein Zeitglied und einen Tondecoder aufweist.

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Fig. 7 veranschaulicht einen anderen Schaltkreistyp, der die Leitwertänderungen bestimmen kann und bei welchem ein Detektor und ein Zähler verwendet werden.

Fig. 8 ist ein Blockschaltbild eines Brückenkreises, welcher zur Bestimmung der Leitwertänderungen verwendet werden kann.

Fig. 9 ist ein Blockschaltbild eines weiteren Brückenkreises, v/elcher zur Bestimmung der Leitwertänderungen verwendet werden kann.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Kurven des Leitwerts als Funktion der Frequenz für Umschläge, die Sprengstoffe oder nichtexplosive Stoffe enthalten. Diese Kurven ergaben sich beim Anordnen eines Umschlags zwischen zwei flachen, räumlich voneinander getrennten Platten, die ein kapazitives Element bilden und Teile eines elektronischen Schaltkreises für die Leitwertbestimmung sind.

Die Kurve 10 in Fig. 1 ist für das Sprengstoffgemisch PETN (=Pentrit-Pentaerythrit-Tetranitrat) und zeigt einen Kapazitätswert für Frequenzen bis zu 50 kHz. Es ist bemerkenswert, daß der Leitwert für PETN sehr schnell bis 0.3 Nano-Siemens ansteigt und dann beinahe konstant bleibt,,

Die ausgezogene Kurve 12 ist für einen Briefumschlag mit dem Sprengstoffgemisch C, das einen höheren Leitwertpegel aufweist als die beiden gestrichelten Linien 14 und 16, die die entsprechenden Kurven für Umschläge mit dem Inhalt Plexiglas bzw. Papier sind.

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Fig. 2 zeigt ebenfalls Funktionskurven von Leitwert und Frequenz, wobei für explosive Substanzen die ausgezogenen Linien und die gestrichelten Linien die Kurven für nichtexplosive Substanzen sind. Es wird hierbei darauf hinge- -wiesen, daß der Maßstab für die Leitwerte bei dieser Darstellung größer als in der Darstellung gemäß Fig. 1 ist. Dieser Maßstab zeigt deutlicher den höheren Leitwertpegel für das Sprengstoffgemisch C in Kurve 18 und für Dynamit in Kurve 19„ Kurve 20 ist für Plexiglas in einem Briefumschlag und ist niedriger als die Kurven 18 und 19. Kurve 22 hat einen noch niedrigeren Leitwert und ergibt sich bei einem Briefumschlag, der sowohl Papier und Münzen enthält. Kurve 24 ist die Kurve für einen ebenen Briefumschlag mit Papier, und die Kurve 26 ergibt sich für einen Briefumschlag, der Papier und zwei Kreditkarten enthält.

Diese Figuren zeigen die großen Leitwertänderungen von Sprengstoffen als eine Funktion der Frequenz für Sprengstoffe, insbesondere bezüglich PETN und Dynamit. Bezüglich des Sprengstoffgemisches C ist ebenfalls erwähnenswert, daß es für diesen Stoff eine große Leitwertänderung im unteren Frequenzbereich gibt, v;ie in Fig. 2 dargestellt. Andererseits zeigen nicht-explosive Stoffe eine viel geringere Leitwertänderung bei Änderungen in der Frequenz_o

Explosive Stoffe sind Mischungen eines Sprengstoffes mit einem Bindemittel„ Der Sprengstoff hat sehr hohe dielektrische Eigenschaften und weist eine große nicht lineare Verlustkomponente über einen Frequenzbereich bis zu ungefähr 15 kHz auf„

Die Kapazitätswerte sind proportional zu der Dielektrizitätskonstante der zwischen den Platten eingebrachten

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Proben. Wie aus dem in Fig. 3 gezeigten Verlauf der Kapazität als Funktion der Frequenz zwischen etwa 100 Hz und 50 kHz ersichtlich, haben die mit durchgezogenen Linien dargestellten Sprengstoffe eine Dielektrizitätskonstante, die eine geringe Frequenzabhängigkeit aufweisen, so daß deren Kapazität wesentlich höhere Werte aufweist als die der in gepunkteten Linien dargestellten nicht-explosiven Proben. Die Kurve 28 bezieht sich auf den Sprengstoff PETN und Kurve 30 auf den Kompoundsprengstoff C. Die Kurven 32 bzw. 34 zeigen die Ergebnisse von Umschlägen, die nur Plexiglas bzw. zwei Kreditkarten enthalten habenα

In Fig. 4 ist die Bedeutung dieser Eigenschaft nicht-homogener Stoffe mit einem hohen dielektrischen Element dargestellt. Der elektrische Vektor 36 stellt den großen Verlust über den Platten des Kondensators dar, der eine Kapazitätskomponente 40 und eine Widerstandskomponente 38 hat. Die Kapazitätskomponente enthält die Information über die Dielektrizitätskonstante. Die Widerstandskomponente liefert die Grundinformation bezüglich des Widerstandswertes für den Verlust. Für eine bestimmte Probe, die zwischen die Platten des kapazitiven Elements eingebracht wird, erhält man für jede Frequenz bis zu 50 kHz verschiedene Meßwerte. Mit der Widerstandskomponente kann ein Wert für den Widerstand bei jeder Frequenz erhalten werden. Der Leitwert ist nur der Kehrwert von diesem Wert„

Es wurde festgestellt, daß Sprengstoffe eine nicht-lineare Leitwertkurve haben. Sie sind Mischungen von instabilen Sprengstoffgemischen mit einer großen Dielektrizitätskonstante und von einem inerten Füllstoff, wie z.B. Sägemehl, der nicht solche Eigenschaften hat.

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Die Leitwertkurve für jeden Sprengstoff ist unterschiedliche

In Fig. 5 ergibt die Änderung des Leitwerts als eine Funktion des Logarithmus der Frequenz eine in etwa S-förmige Kurve„ Die interessierenden Faktoren sind der Grad, mit welchem der Leitwert mit der Frequenz ansteigt, und der Punkt, für den der Leitwert den maximalen Wert erreicht. Die Änderungsrate dieser Kurven ist eine Funktion der Volumenkonzentration des hoch dielektrischen Stoffes (Sprengstoffes) in dem Füllstoff. Der Wert der Kurve, wo die Änderungsrate null wird, ist auf die Menge des Materials mit hohen dielektrischen Eigenschaften ebenso wie dessen Volumenkonzentration bezogen.

Bei der Kurve gemäß Fig. 5 hat der untere Abschnitt einen allmählichen Anstieg bis zum mittleren Abschnitt und einen Kurvenabflachungsabschnitt 46. Der mittlere Abschnitt 44 der Kurve zwischen den gestrichelten Linien 48 und 50 zeigt die Änderungsrate des Leitwerts mit der Frequenz. Dieser Teil der Kurve steht in Beziehung zur Konzentration des dielektrischen Bestandteils in der Mischung.

Der Abflachungspunkt der Kurve bei dem Abflachungsabschnitt 46 ist sowohl zur Volumenkonzentration als auch zur Menge des Materials bezogen.

Es wurde festgestellt, daß jede Art von Material seine eigene unterscheidungsfähige Leitwertkurve hat und daher verschiedene Arten von Materialien voneinander unterschieden werden können, wenn verschiedene Referenzkurven einmal festgelegt worden sind. Diese unterscheidungsfähigen Leitwertkurven oder Kennzeichen machen es möglich, daß ein geschlossenes Paket, wie z.B. ein Umschlag, ohne geöffnet zu werden abgetastet und sowohl Art als auch

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IIenge des Materials in dem Umschlag oder Paket festgestellt wird.

Es gibt eine Anzahl elektrischer Schaltungen, mit denen die Leitfähigkeitschrakteristika von nicht-homogenen, Dielektrizität enthaltenden Materialien ausgenützt werden können. Eine dieser Schaltungen ist in E'ig. 6 dargestellt. Diese Schaltung ist besonders auf die Prüfung solcher Briefe gerichtet, die möglicherweise Sprengstoffe enthalten.

Eine Eingangsleitung 52 ist parallel mit einem Zeitgiied 54 und einer Leitung verbunden, die einen Widerstand 56 und ein kapazitives Element 58 enthält. Das kapazitive Element 58 besteht aus zwei parallelen, räumlich voneinander getrennten Platten, zwischen denen ein verschlossener Brief 60 durchgeführt wird. Der Widerstand 56 und der Kondensator 58 bilden ein R-C-Glied, das auf das Zeitglied 54 einwirkt, wenn der Wert des kapazitiven Elementes 58 verändert wird. Diese Änderung findet statt bei der Einführung eines Briefes 60, welcher ein hochdielektrisches Material enthält. Insoweit als das kapazitive Element keinen reinen Leitwert darstellt, ist die äquivalente Schaltung dieses Elements ein Kondensator mit Parallelwiderstand ,. Die Spannungs komponente ist dann im wesentlichen wie in Fig. 4, in welcher die bestimmende Größe für den Vektor die kapazitive Komponente ist.

Der Sprengstoff verursacht eine große Änderung des Leitfähigkeitswerts und ändert deshalb den Frequenzausgang des Zeitgliedes 54. Wean zwischen den Platten des kapazitiven Elements 58 nichts angeordnet ist, hat die Taktgeberfrequenz einen bestimmten Wert. Dieses Ausgangssig-

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nal wird durch das Widerstandsnetzwerk 62 und 64 geführt und durch den Kondensator 66 mit dem Tondekoder 68 gekoppelt. Der Tondekoder ist auf die Frequenz abgestimmt, welche mit fo dargestellt ist_o Falls die beiden Frequenzen abgestimmt sind, ist der Ausgang des Frequenzdekoders hoch.

Wenn jedoch ein Material, das eine Substanz mit einem großen Dielektrizitätstyp (Sprengstoff) enthält, zwischen die Platten gebracht wird, ändert sich die Kapazität des Elements 58. Dies geschieht wegen der Änderung in der Dielektrizitätskonstante, welche durch das dielektrisch hohe Material verursacht wird. Weil die entsprechende Schaltung eine Kapazität und einen Parallelwiderstand darstellt, sind deshalb Vektor-Messungen zur Bestimmung sowohl der kapazitiven als auch der ohmischen Widerstandskomponenten (Fig„ 4) interessant. Die genaue Messung der ohmischen Widerstandskomponente, welche der Reziprokwert des Leitwerts ist, ergibt die Größe des Leitwerts_u

Da sich die Ladezeit des kapazitiven Elements 58 in dem R-C-Glied des Zeitglieds ändert, ändert sich auch der Ausgang des Zeitglieds. Die Größe dieser Differenz ist groß genug, um die Bandbreite des Tondekoders zu übersteigen Das Ausgangssignal des Tondekoders wird kleiner und der für die Erfassung solcher Änderungen vorgesehene Alarmstromkreis 70 wird aktivierte

Die Werte können so gewählt werden, daß die Empfindlichkeit der Schaltung so geändert wird, daß sie den abzutastenden Gegenständen angepasst wird. Die angegebene Schaltung kann gewünschtenfalIs leicht durch Änderung der Bandbreite des Dekoders 68 geändert werden.

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Die durch die Leitung 52 an die Schaltung angelegte Frequenz liegt zwischen 30 und 50 kHz bei Sprengstoffen. Dies ist anhand der Figuren 1 und 3 leicht einzusehen, ^T'7O da·:; höhere Leitfähigkeits- und Kapazitätsverhalten bei Sprengstoffen leicht unterscheidbar ist.

Die Schaltung reagiert auch schnell. Wenn sie zum Beispiel ?Is Briefbombendetektor verwendet wird, können in der Größenordnung von 700 bis 1000 Stück pro Minute abgetastet werden.

Wenn die Identifizierung von Sprengstoffen gefordert ist, dann muß eine Kennzeichnungskurve durch Verwendung einer größeren Anzahl von Frequenzen erzeugt werden. Der einfache Briefbombendetektor arbeitet auf einer einzigen Frequenz, bei welcher der Leitwertpegel oder die Kapazitätsänderung (der Verlust) zur Bestimmung des Vorhandenseins von irgendeinem Sprengstoff verwendet wird, da alle Leitwertergebnisse hoch sind.

Die Konstruktion der Platten des kapazitiven Elements 58 können beim Einsatz als Briefbombendetektor ungefähr die Größe eines Briefumschlags haben. Die verwendeten Platten w=iren aus dünnem Metall in einer Größe von 76,2 mm Breite und 279,4 mm Länge und parallel voneinander entfernt in einem Abstand von 12,7 mm angeordnet.

Der Phasenwinkel der an die Schaltung angelegten Frequenz ist bezüglich der an das kapazitive Element 58 angelegten Frequenz auch von Bedeutung. Um genaue Ergebnxsse zu erhalten, sollten die Phasenwinkel innerhalb von 0,5° zur Phase sein oder in diese Lage korrigiert werden. Um deutliche und genaue Äblese-Ergebnisse zu erhalten, ist es weiterhin wesentlich, daß ein sehr stabiles Oszillatorsignal verwendet wird.

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Ein anderer Schaltkreis zur Erkennung von Materialien mit Substanzen mit hoher Dielektrizität ist in Fig. 7 angegeben. Die periodische Frequenzen erzeugende Quelle 72 ist über ein kapazitives Element mit räumlich voneinander getrennten Platten 74, 76 verbunden, die einen dazwischenliegenden Luftspalt 78 aufweisen. Die auch allgemein mit S bezeichnete Probe 80 wird zwischen den Platten bewegt und die Änderung der Kapazität wird in dem Detektor 82 erfaßt, üblicherweise darf der Strom die Kondensatorplatten 74 und 76 aufladen, bis der Spannungsabfall daran einen vorgewählten Wert überschreitet,, In diesem Augenblick unterbricht der Detektor den Strom, so daß die Ladung zwischen den Platten bis zu einem gegebenen Pegel abfällt, welcher dann den Detektor veranlaßt, die Stromquelle in die Leitung zurückzuverbinden, um den Kondensator wieder aufzuladen. Mit dieser Anordnung wirkt der Detektor als ein periodischer Spannungsgenerator, der ein Signal abgibt, dessen Periode von der Ladung und Entladiang des kapazitiven Elements abhängt.

Wenn der zu untersuchende Gegenstand zwischen die Platten 74 und 75 gebracht wird, ändert sich die Kapazität des Elementes und dies wiederum ändert das Ausgangssignal des Detektorschaltkreises 82, das zum Zähler 84 führt. Der Zähler 84 gibt ein Signal an den Komparator 86 und falls die Differenz genügend groß ist, liefert der Komparator 86 ein Signal an den Alarmkreis 88, der aktiviert wird.

Die Schaltung ist eine schnell reagierende Schaltung, die einfach zu konstruieren ist. Der Nachteil ist, daß deshalb, weil die Zeitkonstante des Kondensators das Produkt sowohl der Widerstands- als auch der Kapazitätskomponente ist, diese Komponentenwerte im allgemeinen nicht leicht bestimmt werden können.

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Fig. 8 zeigt eine Brückenschaltung, die mit einem Sinuswellengenerator 90 betrieben wird. Brückenelemente 92 und 94 sind abgeglichene Impedanzen, die mit einem Detektor 96 verbunden sind. Der Detektor ist auf Null, wenn die Brücke abgeglichen ist. Ein veränderlicher Widerstand 98 und ein veränderlicher Kondensator 100 passen mit der Impedanz Z1, die als Element 92 gezeigt ist, zusammen. Sie stellen auch den Äquivalenzschaltkreis des kapazitiven Elements, das aus den parallelen, räumlich voneinander angeordneten Platten 102 und 104 besteht, im verbleibenden Zweig der Brücke dar.

Die veränderlichen Elemente 98 und 100 steuern wirksam die Nullposition des Detektors 96. Eine Probe, zwischen die Platten 102 und 104 eingeführt, kann die Brücke aus dem Gleichgewicht bringen und ein erneutes Gleichgewicht kann durch Anpassung der Bauelemente 98 und 100 hergestellt werden. Die Anpassung ergibt die Widerstands- und die Kapazitätswarte der eingeführten Probe.

Wieder soll bemerkt werden, daß einige Aufmerksamkeit auf das Phasenverhalten der angelegten periodischen Spannung gerichtet werden muß. Diese Schaltung ist wirksam für die Erlangung von Kennzeichen bei verschiedenen Frequenzen für verschiedene Typen von Sprengstoffen, wenn deren Identifikation verlangt ist. Es muß aber beachtet werden, daß, wo Frequenzen aufeinanderfolgend für die Erlangung von Kennzeichnungsdaten verwendet werden, Zeit erforderlich ist, um die manuelle oder in einer anderen Weise erfolgende Anpassung des variablen Widerstandes und des Kondensators beim Wiederabgleich der Brücke durchführen zu können.

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Die Schaltung gemäß Fig. 8 kann auch als kalibrierter Brückenschaltkreisdetektor verwendet werden. Eine bekannte Probe wird zwischen den Platten 102 und 104 angeordnet und dadurch wird der Spannungsabgleich der Brücke gestört. Die Quadrantenkomponenten der bei unabgeglichener Brücke vorhandenen Spannungen werden registriert und mit bekannten Kapazitäts- und Widerstandsänderungen entsprechend der Probe verglichen. Wenn diese Werte nicht mit bekannten Werten übereinstimmen, dann werden die bekannten Werte zusammen mit den registrierten Werten als ein Satz kalibrierter Zahlen benutzt, um weitere Spannungswerte zu korrigieren, um so die richtigen Widerstands- und Kapazitätswerte zu erhalten.

Die für verschiedene Frequenzen bei einer bekannten Probe erhaltenen Leitwertdaten liefern ein Leitwertkennzeichen, das gespeichert und nachfolgend mit einer unbekannten Probe verglichen werden kann, die zwischen die Platten 102 und 104 geschoben wird.

Der Detektorschaltkreis kann entweder ein Vektor-Voltmeter, ein Wechselstrom-Voltmeter, einen phasenempfindlicher Detektor oder einen Digital-Rechner enthalten.

Bezüglich der Identifizierung des Typs eines dielektrischen Materials oder Sprengstoffs soll angemerkt werden, daß eine Anzahl Frequenzen an die Brücke gelegt werden müssen, um wirksame Daten zu erhalten, und diese können dann mit den früher erhaltenen, gespeicherten Kennzeichen für die verschiedenen Materialarten verglichen werden.

Zur Durchführung dieser Aufgabe wird ein Rechner verwendet, soweit als ein Erfordernis für die Speicherung der sequentiell erhaltenen Datenzahlen bei jeder Frequenz

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und für einen Vergleich mit früher gespeicherten Daten besteht. Diese Technik kann entweder ein vergleichendes Näherungsverfahren verwenden cder könnte sehr leicht an ein Signalpegel- oder an ein Signalcharakteristika-Annäherungsverfahren angepasst werden.

Bezüglich des Systems wurde auch festgestellt, daß Daten erhalten werden können, die die Lage eines Sprengstoffs in einem Paket angeben, indem nur eine Beobachtung und Änderung der Kapazität und des Leitwerts des Pakets durchgeführt wird, wenn es zwischen den Platten durchgeführt wird.

iiin Bezugspunkt, wie z.B. die Geschwindigkeit eines Umschlags in seiner seitlichen Durchführung, oder eine Zeitbasis können verwendet werden, um den Punkt abzutasten, an welchem sich die Kapazitäts- oder Leitwerte ändern. Bezüglich dieser Daten ist die Lage des Sprengstoffs in dem Umschlag oder Paket leicht zu bestimmen.

Wie oben angedeutet, kann der Detektorschaltkreis einen phasenempfindlichen Detektor oder einen Digitalrechner enthalten. Es ist jedoch möglich, dieselben Ergebnisse zu erhalten, indem man die Technik der Fouriertransformationen anwendet, etwa mit Hilfe eines digitalen Fouriertransformationssystoms, wie etwa eines Digitalrechners, oder bei Verwendung einer analogen Fouriertransformationstechnik, wie etwa eines Adaptivfilters. Die individuellen, phasen-sensitiven Detektoren für jede Frequenz können auch durch einen Breitbandverstärker ersetzt werden, der es zusammen mit einem genauen, als Taktgeber dienenden Generator ermöglicht, die Fouriertransformationstechnik zu verwenden. Die Daten können dann bei festen Zeitintervallen untersucht und mit den Standard-Fouriertrans-

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formatioiistechniken in einem Rechner, z.B. einem Minirecliner, analysiert werden. Es ist vorteilhaft, zu diesem Zweck denselben Rechner zu verwenden, der, wie oben beschrieben, zur Identifikation des Typs eines dielektrischen Materials oder eines Sprengstoffs verwendet wird.

Fig. 9 zeigt eine Brückenschaltung, in welcher der Signalgenerator 110 ein Vielfach-Frequenz-Signalgenerator mit einem abgeglichenen Ausgang ist. Typischerweise hat der Generator einen Frequenzbereich von ca. 100 Hz bis 100 kHz. Der Generator selbst ist geerdet und an kapazitive Elemente 112, 114 angeschlossen. In der in Fig. 9 gezeigten Schaltung besteht jeder Kondensator 112, 114 aus zwei räumlich voneinander getrennten parallelen Platten. In der Praxis werden bevorzugt drei parallele, räumlich voneinander getrennte Platten verwendet, die üblicherweise aus dem gleichen Material, wie z.B. Aluminium oder einem passenden leitenden Material, hergestellt sind und mit einem Schutzring, der um die Mittelplatte herum angeordnet ist. Diese letztere Anordung verhält sich wie zwei in Reihe angeordnete, kapazitive Elemente. Die Brückenelemente 120, 122 sind Impedanzen, die parallel zu den kapazitiven Elementen 112, 114 liegen. Die Impedanzen 120, 122 sind vorteilhaft Präzisionsmetallfilm-Widerstände, die so genau wie möglich aufeinander abgeglichen sind. Anfänglich werden die Impedanzen 120, 122 so abgeglichen, daß sich zu allen Zeiten die Potentialwerte an den Punkten E und F immer Null aufsummieren. Das heißt, wenn das Potential bei E gleich Ve und das Potential bei Punkt F gleich Vf ist, dann ist die gewünschte Bedingung erreicht, wenn Ve= -Vf ist. Der Verstärker 116 ist zwischen den kapazitiven Elementen 112, 114 angeschlossen und kann den Strom der Brückenschaltung in einen Spannungs ausgang umsetzen, der dann von dem Detektor 118 festge-

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stellt werden kann. Wie oben erwähnt, kann dieser entweder einen phasenempfindlicher Detektor oder ein Fouriertrans formations system beinhalten.

Obwohl es möglich ist, einen Widerstand statt des Verstärkers 116 zu verwenden, um den Strom in eine Spannung umzusetzen, ist die Verwendung des Verstärkers besser, da er sehr empfindlich auf den Strom ist und den Schaltkreis nicht beeinflußt. Darüber hinaus hilft der Verstärker, ein ausgeglichenes Potential zwischen den Punkten H und G der Schaltung aufrechtzuerhalten„ Die kapazitiven Elemente 112, 114 werden abgeglichen, bevor eine Probe zwischen den Platten angeordnet wird, um eine Ausgangsspannung Null zu haben. Dies kann durch Bewegung einer der Platten des kapazitiven Elements in Bezug auf einen gewählten Abstand der Platte oder Platten des anderen kapazitiven Elements erreicht werden. Das andere kapazitive Element wird dann als Detektor benutzt.

Es ist daher möglich, die Brücke zu Beginn in nur einem Arbeitsgang abzugleichen und keine weitere Abgleichung ist nötig, nachdem jede Testprobe in das zur Erkennung dienenden kapazitiven Element eingeführt worden ist. Gelegentlich kann die Testprobe ein so großes Antwortsignal erzeugen, wenn es in dem kapazitiven Element eingeführt wird, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 außerhalb seines dynamischen Bereiches ist. In diesem Fall ist es möglich, das andere kapazitive Element zu benutzen, um die Ausgangsspannung durch Nullsetzung von mindestens einem Teil des Antwortsignals zu erniedrigen, so daß der Verstärker wieder innerhalb seines dynamischen Bereiches arbeitet_o Vorzugsweise kann das erreicht werden, indem eine im wesentlichen identische Probe in das andere kapazitive Element eingeführt wird. Wenn daher z_oB. eine der Proben Metall enthält und die resultierende Ausgangs-

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spannung den dynamischen Bereich des Verstärkers überschreitet, dann wird das Einsezten einer Probe in das andere kapazitive Element, welche im wesentlichen identisch zu der ersten Probe ist, außer daß diese Metall enthält, das Antwortausgangssignal bezüglich des gemeinsamen Materials teilweise zu Null machen und Informationen über das Metall liefern. Diese Information kann dann weiterverarbeitet werden und mit Standardkennzeichen verglichen werden, indem ein Rechner verwendet wird, wie bereits oben beschrieben.

Die in Fig.9 dargestellte Schaltung hat daher die Vorteile, daß erstens ein Abgleich des Systems nur einmal für jeden Testlauf gemacht werden muß. Zweitens können kürzere Antwortzeiten erreicht werden, teilweise bedingt durch die Verwendung eines Verstärkers, welcher den Strom in eine Ausgangsspannung umwandelt. Drittens ist es möglich, größere Plattenabstände zu verwenden, entsprechend der komplementären Natur der physikalischen Anordnung des kapazitiven Systems zusammen in Verwendung mit einem Schutzring» Dies ermöglicht die Untersuchung von Proben mit sehr verschiedenen Abmessungen.

Wenn größere Proben zu untersuchen sind, dann ist es möglich, zwei oder drei Sätze von kapazitiven Elementen ähnlich dem Satz 112, 114 parallel zueinander anzuordnen und jeden Satz dann mit einem eigenen Verstärker und Detektor zu verbinden. Alternativ dazu können die Verstärker mit nur einem Detektor verbunden werden. Auf diese Weise ist eine größere Empfindlichkeit mit einem System zu erreichen, das einfach einen Satz von Platten mit größerem Oberflächenbereich verwendet.

Eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten dieser Technik und Schaltungstechnik beinhalten Qualitätskontrolle

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in Herstellungsprozessen, Bodenanalyse auf Wassergehalt, Analyse von Geweben auf Fettgehalt und Mengenanalyse von Verunreinigung in Flüssigkeit.

Bei letzterem Beispiel gibt es die Möglichkeit, die ölmenge, den Schlammgehalt oder die Menge anderer Fremdstoffe in einer Wasserprobe zu bestimmen. Es ist außerdem möglich, Rauschgifte, wie z.B. Heroin oder Kokain, in Paketen darzustellen und zu prüfen.

Zusammenfassend bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswerten nicht-homogener Materialien mit einem hohen dielektrischen Element, indem die Leitwerte und/oder Kapazitätseigenschaften eines Materials 60 bzw. S abgetastet werden, wenn sie zwischen ein Plattenpaar 74 und 76 oder 102 und 104 hindurchgeführt werden, das einen Teil eines kapazitätsempfindlichen elektrischen Netzwerks bildet» Eine Wechselspannung wird an den Platten 74 und 76 oder 102 und 104 bei einer Frequenz angelegt, bei welcher mit früheren Tests nachgewiesen worden ist, daß ein gegebenes Leitwert- oder Kapazitätsergebnis für ein interessierendes Material erzeugt wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Auswertung nicht-homogener Stoffe, die einen hoch-dielektrischen Bestandteil enthalten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Abtastung der Leitwerteigenschaft des Stoffes (60; S), indem dieser zwischen zwei Platten (⁷4, 76; 102, 104), welche einen Teil eines kapazitiv reagierenden elektrischen Netzwerkes bilden, hindurchgebracht wird, und

b) Anlegen einer Wechselspannung an den zwei Platten (74, 76; 102, 104) bei einer Frequenz, die bei einer Anzeige früherer Tests einen verhältnismäßig großen Leitwert für den interessierenden Stoff ergab.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Frequenz mit einem Wert zwischen 10 Hz und 150 kHz.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Bestimmung inwieweit das durch den Stoff (60: S) beim Test erzielte Ergebnis

_2 über 1 χ 10 Nano-Siemens ist.

ORIGfNAl !NSPECTED

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Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich-: net durch den Verfahrensschritt des Anlegens der Wechselspannung bei mehreren sequentiellen Frequenzen mit verschiedenem Wert zur Entwicklung eines Kennzeichens und des Vergleichens eines solchen Kennzeichens mit jenen, die von nachfolgenden Proben erhalten werden, die zwischen die zwei Platten eingeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt zur Erlangung der wirklichen ohmischen und kapazitiven Widerstandskomponenten aus dem Verlust, welcher verursacht wird, wenn der Stoff (60; S) zwischen die zwei Platten (74,76; 102,104) eingeführt v/ird«,

β ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt zur Erlangung der Daten für die Änderungsgeschwindigkeit des Leitwerts und für die Größe des Leitwerts, wenn die A'nderungsgeschwindigkeit auf Null fällt, damit Informationen über die Volumenkonzentration und die Gesamtmenge des dielektrischen Materials in der Probe (60; S) erhalten v/erden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz einen Wert zwischen 20 und 150 kHz für die Erkennung versteckter Explosivstoffe hat.

8. Vorrichtung zur Identifizierung nicht-homogener Stoffe mit einem hoch-dielektrischen Bestandteil, gekennzeichnet durch

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a) kapazitive Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) zur Erzeugung eines kapazitiven Ausgangssignals und zur Erzeugung einer Änderung in der Kapazität, wenn ein hoch-dielektrischer Bestandteil in physikalischer Verbindung damit angeordnet wird,

b) kapazitiv reagierende Baueinheiten (54; 82; 96; 118), die verbunden sind mit den kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112), um deren Kapazitätsänderung auszuwerten, und

c) Frequenzen erzeugende Baueinheiten (52; 72; 90; 110), an die die kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) angeschlossen sind, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) wiedergibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) zwei räumlich voneinander getrennte Platten (74, 76; 102, 104) mit einem Kapazitätswert aufweisen, die genügend weit räumlich voneinander getrennt sind, damit eine zu identifizierende Probe (60; S) dazwischen durchgeführt werden kann.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiv reagierende Baueinheit (54) ein Zeitglied (54) beinhaltet, an welches die kapazitive Baueinheit (58) angeschlossen ist.

11. Vorrichutng nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Alarmbaueinheit (70; 80) in

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der Schaltung mit der kapazitiv reagierenden Baueinheit (54; 82) aktiviert wird, wenn die Änderung des Leitwerts der kapazitiven Baueinheit (58; 74, 76) einen vorher festgelegten Wert übersteigt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiv reagierende Baueinheit einen Tondekoder (68) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiv reagierende Baueinheit einen Detektor (82) und einen Zähler (84) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiv reagierende Baueinheit eine abgeglichene Brückenschaltung mit einem Detektor (96) im neutralen Zweig aufweist und die räumlich voneinander getrennten Platten (102, 104) in einem der Brückenzweige enthalten sind und veränderliche Widerstände (98) und Kondensatoren (100) in dem benachbarten Brückenzweig enthalten sind.

15. Vorrichtung zur Identifizierung nicht-homogener Stoffe mit einem hoch-dielektrischen Bestandteil, gekennzeichnet durch

a) kapazitive Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104, 112) zur Erzeugung eines Leitfähigkeitsausgangssignals und zur Erzeugung einer Änderung in der Leitfähigkeit, wenn ein hoch-dielektrischer Bestandteil in physikalischer Verbindung damit angeordnet wird,

b) kapazitiv reagierende Baueinheiten (54; 82; 96;

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118), die verbunden sind mit den kapazitiven Baueinheiten, um die Änderung der Leitfähigkeit der kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) auszuwerten , und

c) Frequenzen erzeugende Baueinheiten (52; 72, 90; 110), an die die kapazitiven Baueinheiten (58; 74, 76; 102, 104; 112) angeschlossen sind, um ein elektrisches Signal am Ausgang zu erzeugen, das den Leitfähigkeitswert der kapazitiven Baueinheiten wiedergibt.

16_O Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch

a) kapazitiv reagierende Baueinheiten (54; 82; 96; 118), verbunden mit kapazitiven Baueinheiten zur Auswertung der Kapazitätsänderung der kapazitiven Baueinheiten (58; 74; 76; 102, 104; 112), und

b) Frequenz erzeugende Baueinheiten (52; 72; 90; 110), die auch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheiten wiedergibt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die kapazitiven Baueinheiten (102, 104; 112) in eine Brückenschaltung geschaltet sind,

b) Detektoreinheiten (96) dazu parallel geschaltet sind, und

c) die Detektoreinheiten Rechnereinheiten beinhal-

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ten, welche sequentielle Daten erhalten und diese bezüglich zuvor gespeicherter Daten analysieren.

18. Vorrichtung zur Identifizierung nicht-homogener Stoffe mit hoch-dielektrischen Bestandteilen mit

a) kap-izitiven Baueinheiten zur Erzeugung eines kapazitiven Ausgangssignals und zur Erzeugung einer Änderung in der Kapazität, wenn eine hohe Dielektrizität in physikalischer Verbindung dazu angeordnet wird, wobei diese kapazitiven Baueinheiten mindestens zwei in Serie geschaltete kapazitive Elemente (122, 114) aufweisen,

b) kapazitiv reagierende Baueinheiten, die mit diesen kapazitiven Elementen (122, 114) zur Auswertung der Kapazitätsänderung aus den kapazitiven Baueinheiten verbunden sind, wobei die kapazitiv reagierenden Baueinheiten eine Detektorbaueinheit (118) und eine zwischen den kapazitiven Elementen (122, 114) angeschlossene Spannungsbaueinheit (116) aufweisen zur Umwandlung von durch die kapazitiven Elemente (122, 114) erzeugtem Strom in eine Ausgangsspannung, und

c) Frequenzen erzeugende Baueinheiten (110) über die die kapazitiven Baueinheiten angeschlossen sind, zur Erzeugung eines abgeglichenen elektrischen Ausgangssignals, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheiten darstellt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Baueinheit drei räumlich getrennte Platten mit einem umgebenden Schutzring aufweist,

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der an der mittleren Platte angeordnet ist, wobei die mittlere Platte mit der Spannungsbaueinheit verbunden ist, um den durch die kapazitive Baueinheit erzeugten Strom in eine Ausgangsspannung umzusetzen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Baueinheit in einer abgeglichenen Brückenschaltung angeschlossen ist, die Spannungsbaueinheit (116) zur Umwandlung von durch die kapazitiven Baueinheiten erzeugten Strom zwischen den kapazitiven Elementen (112, 114) angeschlossen ist und die Detektorbaueinheit (118) an die Spannungsbaueinheit (116) angeschlossen ist, wobei die Detektorbaueinheit (118) eine Baueinheit zur Durchführung einer Fouriertransformationsanalyse von Phasen- und Amplitudendaten aufweist, die von den kapazitiven Baueinheiten erzeugt werden.

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