CH650338A5 - Verfahren zur identifizierung der bestandteile eines stoffes, der mindestens einen hoch-dielektrischen bestandteil enthaelt und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung Fig. 3 ein Diagramm der Kapazität als Funktion der Freder Bestandteile eines Stoffes, der mindestens einen hoch-die- quenz, welches Kurven für einige Sprengstoffe und Nicht-Ex-lektrischen Bestandteil enthält. Die Erfindung betrifft eben- plosivstoffe zeigt;

falls eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. 25 Fig. 4 ein Vektordiagramm für einen typisch kapazitiven

Die unter Diskussion stehenden Stoffe sind Mischungen Bestandteil, das sowohl die kapazitive als auch die Wideraus zwei oder mehreren Bestandteilen mit voneinander jeweils standskomponente zeigt, die beide von Interesse sind;

sehr unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit und Dielek- Fig. 5 die Kurvendarstellung typischer Kurven für trizitätskonstante. Derart zusammengesetzte Stoffe werden Sprengstoffe, die die Leitwertkurve als Funktion der Fre-

wegen ihrer elektrischen Eigenschaften oft als «nicht-homo- 30 quenz darstellt;

gen» bezeichnet. Beispiele dieser Art von Stoffen sind Spreng- Fig. 6 einen Schaltkreis zur Erkennung der Leitwertände-

stoffe, die aus den eigentlichen Sprengstoffmolekülen mit ho- rung, welcher ein Zeitglied und einen Tondecoder aufweist;

her Dielektrizitätskonstante und aus inertem Füllstoff, wie Fig. 7 einen anderen Schaltkreistyp, der die Leitwertände-

z.B. Sägemehl bzw. -staub, mit verhältnismässig niedriger rungen bestimmen kann und bei welchem ein Detektor und

Dielektrizitätskonstante zusammengesetzt sind; ein weiteres 35 ein Zähler verwendet werden;

Beispiel stellt eine Mischung von Erde und Wasser dar, wel- Fig. 8 ein Blockschaltbild eines Brückenkreises, welcher che zwar in der Konsistenz einheitlich erscheinen mag, aber zur Bestimmung der Leitwertänderungen verwendet werden trotzdem haben Erde und Wasser deutlich verschiedene elek- kann;

trische Charakteristika. Fig. 9 ein Blockschaltbild eines weiteren Brückenkreises,

Weitere Beispiele sind Wasser und aufgeschlämmte Stoffe 40 welcher zur Bestimmung der Leitwertänderungen verwendet oder sogar auch durchwachsenes Fleisch, bei dem die Be- werden kann.

standteile mageres Muskelgewebe und Fettgewebe sind. Die Figuren 1 und 2 zeigen Kurven des Leitwerts als

Seit langem besteht der Bedarf für ein schnelles, zerstö- Funktion der Frequenz für Umschläge, die Sprengstoffe und rungfreies Verfahren mit Bestandteilen nicht-homogener nichtexplosive Stoffe enthalten. Diese Kurven ergaben sich

Stoffe leicht identifizierbar und/oder ihre Eigenschaften fest- 45 beim Anordnen eines Umschlags zwischen zwei flachen,

stellbar sind. Zwei unmittelbare Anwendungsgebiete für ein räumlich voneinander getrennten Platten, die ein kapazitives solches Verfahren sind die Aufspürung von Briefbomben und Element bilden und Teile eines elektronischen Schaltkreises die Analyse von Erde. für die Leitwertbestimmung sind.

Bezüglich der Sicherheitsüberwachung ist die Möglich- Die Kurve 10 in Fig. 1 ist für das Sprengstoffgemisch keit, Sprengstoffe in kleine Umschläge zu verpacken und mit so PETN ( = Pentrit-Pentaerythrit-Tetranitrat) und zeigt Kapader Post zu versenden, ein seit langem bestehendes Sicher- zitätswerte für Frequenzen bis zu 50 kHz. Es ist bemerkens-heitsproblem. Bezüglich der Analyse von Erde besteht der Be- wert, dass der Leitwert für PETN sehr schnell bis 0.3 Nano-darf für einen schnellen Bodentest auf dem Feld, der z.B. In- Siemens ansteigt und dann beinahe konstant bleibt, formationen zum Feuchtigkeitsgehalt oder zu mechanischen Die ausgezogene Kurve 12 ist für einen Briefumschlag mit Eigenschaften liefert. 55 dem Sprengstoffgemisch C, das einen höheren Leitwertpegel Es trifft zu, dass beide dieser Stoffe Bestandteile mit unter- aufweist als die beiden gestrichelten Linien 14 und 16, die die schiedlichem Leitfähigkeitsverhalten bzw. -Charakteristika entsprechenden Kurven für Umschläge mit dem Inhalt Ple-haben, die bei bestimmten Frequenzbereichen nicht linear xiglas bzw. Papier sind.

sind. Diese Tatsache kann zur Identifizierung und Analyse Fig. 2 zeigt ebenfalls Kurven von Leitwert als Funktion solcher Stoffe benutzt werden. «o der Frequenz, wobei die ausgezogenen Linien für explosive

Demgemäss ist es Aufgabe der Erfindung, ein zerstö- Substanzen und die gestrichelten Linien für nichtexplosive rungsfreies Verfahren der erwähnten Art für nichthomogene Substanzen gelten. Es wird hierbei darauf hingewiesen, dass

Stoffe zu schaffen, bei welchen zumindest eines der Bestand- der Massstab für die Leitwerte bei dieser Darstellung grösser teile eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Aufgabe der als in der Darstellung gemäss Fig. 1 ist. Dieser Massstab zeigt

Erfindung ist es ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung 65 deutlicher den höheren Leitwertpegel für das Sprengstoffge-

des Verfahrens zu schaffen. misch C in Kurve 18 und für Dynamit in Kurve 19. Kurve 20

Ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die im ist für Plexiglas in einem Briefumschlag und ist niedriger als

Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gekennzeichnet. die Kurven 18 und 19. Kurve 22 hat einen noch niedrigeren

650 338

Leitwert und bezieht sich auf einen Briefumschlag, der sowohl Papier als auch Münzen enthält. Kurve 24 bezieht sich auf einen ebenen Briefumschlag mit Papier, und die Kurve 26 auf einen Briefumschlag, der Papier und zwei Kreditkarten enthält.

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

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 Probe. 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 aufweist, so dass die 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 Sprengstoff Compound C. Die Kurven 32 bzw. 34 zeigen die Ergebnisse von Umschlägen, die nur Plexiglas bzw. zwei Kreditkarten enthalten haben.

In Fig. 4 ist die Bedeutung dieser Eigenschaft nicht-homo-gener 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 k^nn ein Wert für den Widerstand bei jeder Frequenz erhalten werden. Der Leitwert ist nur der Kehrwert von diesem Wert.

Es wurde festgestellt, dass Sprengstoffe nicht-lineare Leitwertkurven haben. Sie sind Mischungen von instabilen Sprengstoffgemischen mit grossen Dielektrizitätskonstanten und von inerten Füllstoffen, wie z.B. Sägemehl, die nicht solche Eigenschaften haben.

Die Leitwertkurve für jeden Sprengstoff ist unterschiedlich.

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, steht in Beziehung zur Menge des Bestandteiles mit hohen dielektrischen Eigenschaften, sowie zu dessen Volumenkonzentration.

Bei der Kurve gemäss Fig. 5 hat der untere Abschnitt 42 einen allmählichen Anstieg bis zum mittleren Abschnitt 44 und einen Kurvenabflachungsabschnitt 46. Der mittlere Abschnitt 44 der Kurve zwischen den gestrichelten Linien 48 und 50 zeigt die Änderungsrate des Leitwerts als Funktion der

Frequenz. Dieser Teil der Kurve steht in Beziehung zur Konzentration des hoch dielektrischen Bestandteils in der Mischung.

Der Abflachungspunkt der Kurve bei dem oberen Abschnitt 46 steht sowohl zur Volumenkonzentration als auch zur Menge des Materials in Beziehung.

Es wurde festgestellt, dass jede Art von Material seine eigene charakteristische Leitwertkurve hat und daher verschiedene Arten von Materialien voneinander unterschieden werden können, wenn verschiedene Referenzkurven einmal festgelegt worden sind. Diese charakteristischen Leitwertkurven, d.h. Kennkurven machen es möglich, dass ein geschlossenes Paket, wie z.B. ein Umschlag, ohne geöffnet zu werden abgetastet und sowohl Art als auch Menge des Materials in dem Umschlag oder Paket festgestellt wird.

Es gibt eine Anzahl elektrischer Schaltungen, mit denen die Leitfähigkeitscharakteristika von nicht-homogenen Stoffen, die dielektrische Bestandteile enthalten, ausgenützt werden können. Eine dieser Schaltungen ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Schaltung ist besonders bei der Prüfung von Briefen verwendbar, die möglicherweise Sprengstoffe enthalten.

Eine Eingangsleitung 52 ist parallel mit einem Zeitglied 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 Spannungskomponente 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 das Frequenzausgangssignal des Zeitgliedes 54. Wenn zwischen den Platten des kapazitiven Elements 58 nichts eingeführt ist, hat die Taktgeberfrequenz einen bestimmten Wert. Dieses Ausgangssignal wird durch das Widerstandsnetzwerk 62 und 64 geführt und durch den Kondensator 66 mit dem Tondekoder 68 gekoppelt. Der Tondekoder ist auf diese Frequenz abgestimmt, welche mit fo dargestellt ist. Falls die beiden Frequenzen aufeinander abgestimmt sind, ist der Ausgang des Frequenzdekoders hoch.

Wenn jedoch ein Material, das einen Substanztyp mit hoher Dielektrizitätskonstante (Sprengstoff) enthält, zwischen die Platten gebracht wird, ändert sich die Kapazität des Elements 58. Dies geschieht wegen der Änderung in der Dielek-trizität, welche durch das dielektrisch hohe Material verursacht wird. Weil die äquivalente Schaltung eine Kapazität und einen Parallelwiderstand darstellt, sind deshalb Vektor-Messungen zur Bestimmung sowohl der kapazitiven als auch der ohmischen Widerstandskomponenten (Fig. 4) von Interesse. Die genaue Messung der ohmschen Widerstandskomponente, welche dem Reziprokwert des Leitwerts entspricht, ergibt die Grösse des Leitwerts.

Da sich die Ladezeit des kapazitiven Elements 58 in dem R-C-Glied des Zeitglieds ändert, ändert sich auch das Ausgangssignal 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 aktiviert.

Die Werte können so gewählt werden, dass die Empfindlichkeit der Schaltung so geändert wird, dass sie den abzuta-

4

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5 650 338

Stenden Gegenständen angepasst wird. Die angegebene Schal- verbunden sind. Der Detektor ist auf Null, wenn die Brücke tung kann gewünschtenfalls leicht durch Änderung der Band- abgeglichen ist. Der veränderliche Widerstand 98 und der verbreite des Dekoders 68 geändert werden. änderliche Kondensator 100 sind mit der Impedanz ZI, die

Die durch die Leitung 52 an die Schaltung angelegte Fre- als Element 92 gezeigt ist, aneinandergepasst. Sie stellen auch quenz liegt zwischen 30 und 50 kHz bei Sprengstoffen. Dies 5 den Äquivalenzschaltkreis des kapazitiven Elements, das aus ist anhand der Figuren 1 und 3 ersichtlich, wo das höhere den parallelen, räumlich voneinander angeordneten Platten Leitfähigkeits- und Kapazitätsverhalten bei Sprengstoffen 102 und 104 besteht, im verbleibenden Zweig der Brücke dar. leicht erkennbar ist. Die veränderlichen Elemente 98 und 100 steuern wirksam

Die Schaltung reagiert auch schnell. Wenn sie zum Bei- die Nullposition des Detektors 96. Eine Probe, zwischen die spiel als Briefbombendetektor verwendet wird, können in der 10 Platten 102 und 104 eingeführt, kann die Brücke aus dem Grössenordnung von 700 bis 1000 Stück pro Minute abgeta- Gleichgewicht bringen und ein erneutes Gleichgewicht kann stet werden. durch gustierung der Bauelemente 98 und 100 hergestellt wer-

Wenn die Identifizierung von Sprengstoffen gefordert ist, den. Durch diese Gustierung werden die durch die Probe her-dann muss eine charakteristische Kennkurve aus Werten bei vorgerufenen Widerstands- und Kapazitätswerte erhalten, mehreren Frequenzen erzeugt werden. Der einfache Brief- 15 Wieder soll bemerkt werden, dass einige Aufmerksamkeit bombendetektor arbeitet bei einer einzigen Frequenz, bei wel- auf die Phasenbeziehung der angelegten Wechselspannung eher der Leitwertpegel oder die Kapazitätsänderung (der Ver- gerichtet werden muss. Diese Schaltung ist wirksam für die lust) zur Bestimmung des Vorhandenseins von irgendeinem Bestimmung der Kennkurven verschiedener Sprengstoffe verSprengstoff verwendet wird, da alle Leitwertergebnisse hoch schiedenen Frequenzen, wenn deren Identifikation verlangt sind. 20 ist. Es muss aber beachter werden, dass, wenn aufeinanderfol-

Die Platten des kapazitiven Elements 58 können beim gend Frequenzen für die Bestimmung von Kennkurven erEinsatz als Briefbombendetektor ungefähr die Grösse eines zeugt werden, Zeit erforderlich ist, um die manuelle oder in ei-Briefumschlags haben. Die tatsächlich verwendeten Platten ner anderen Weise zu erfolgende Gustierung des variablen waren aus dünnem Metall in einer Grösse von 76,2 mm Breite Widerstandes und des Kondensators durch zuführen, um da-und 279,4 mm Länge und parallel voneinander entfernt in ei- 25 mit den Wiederabgleich der Brücke zu bewerkstelligen, nem Abstand von 12,7 mm angeordnet. Die Schaltung gemäss Fig. 8 kann auch als kalibrierter

Der Phasenwinkel zwischen der an die Schaltung angeleg- Brückendetektorschaltkreis verwendet werden. Eine beten Frequenz und der an das kapazitive Element 58 angeleg- kannte Probe wird zwischen die Platten 102 und 104 einge-ten Frequenz ist auch von Bedeutung. Um genaue Ergebnisse führt, wodurch der Spannungsabgleich der Brücke gestört zu erhalten, sollten diese Frequenzen innerhalb von 0,5° in 30 wird. Die Quadrantenkomponenten der bei unabgeglichener Phase sein oder auf diesen Wert korrigiert werden. Um deut- Brücke vorhandenen Spannungen werden registriert und mit liehe und genaue Ablese-Ergebnisse zu erhalten, ist es weiter- den auf die Probe zurückzuführenden bekannten Kapazitätshin wesentlich, dass ein sehr stabiles Oszillatorsignal verwen- und Widerstandsänderungen verglichen. Wenn diese Werte det wird. nicht mit bekannten Werten übereinstimmen, dann werden

Ein anderer Schaltkreis zur Erkennung von Stoffen mit 35 die bekannten Werte zusammen mit den registrierten Werten Bestandteilen hoher Dielektrizität ist in Fig. 7 angegeben. Die als ein Satz kalibrierter Zahlen benutzt, um weitere Span-Wechselspannungsquelle 72 ist über ein kapazitives Element nungswerte zu korrigieren, um so die richtigen Widerstands-mit räumlich voneinander getrennten Platten 74,76 verbun- und Kapazitätswerte zu erhalten.

den, die einen dazwischenliegenden Luftspalt 78 aufweisen. Die für eine bekannte Probe bei verschiedenen Frequen-

Die mit S bezeichnete Probe 80 wird zwischen den Platten be- <0 zen erhaltenen Leitwertdaten liefern eine Leitwertkennkurve, wegt und die Änderung der Kapazität wird in dem Detektor die gespeichert und nachfolgend mit einer unbekannten Probe 82 erfasst. Üblicherweise darf der Strom die Kondensator- verglichen werden kann, die zwischen die Platten 102 und 104 platten 74 und 76 aufladen, bis der Spannungsabfall über den geschoben wird.

Platten einen vorgewählten Wert überschreitet. In diesem Au- Der Detektorschaltkreis kann entweder ein Vektor-Voltgenblick unterbricht der Detektor den Strom, so dass die La- « meter, ein Wechselstrom-Voltmeter, einen phasenempfmd-dung zwischen den Platten bis zu einem gegebenen Pegel ab- licher Detektor oder einen Digital-Rechner enthalten.

fallt, welcher dann den Detektor veranlasst, die Stromquelle Was die Identifizierung des Typs eines dielektrischen Be in die Leitung zurückzuverbinden, um den Kondensator wie- standteils oder Sprengstoffs anbelangt, wird darauf hingewie-der aufzuladen. Mit dieser Anordnung wirkt der Detektor als sen, dass eine Anzahl Frequenzen an die Brücke gelegt wer-ein Wechselspannungsgenerator, der ein Signal abgibt, dessen so den müssen, um wirksame Daten zu erhalten, und diese kön-Periode von der Ladung und Entladung des kapazitiven Eie- nen dann mit den früher erhaltenen, gespeicherten Kennkur-ments abhängt. ven für die verschiedenen Arten von Stoffen verglichen

Wenn der zu untersuchende Gegenstand zwischen die werden.

Platten 74 und 76 gebracht wird, ändert sich die Kapazität des Zur Durchführung dieser Aufgabe wird ein Rechner verElementes und dies wiederum ändert das Ausgangssignal des 55 wendet, da es notwendig ist, die bei den verschiedenen Fre-Detektorschaltkreises 82, das zum Zähler 84 führt. Der Zäh- quenzen sequentiell erhaltenen Datenzahlen zu speichern, 1er 84 gibt ein Signal an den Komparator 86 und falls die Dif- und sie mit früher gespeicherten Daten zu vergleichen. Diese ferenz genügend gross ist, liefert der Komparator 86 ein Si- Technik könnte entweder ein vergleichendes Verfahren ver-gnal an den Alarmkreis 88, der aktiviert wird. wenden oder an ein Signalpegel- oder ein Signalcharakteri-

Die Schaltung ist eine schnell reagierende Schaltung, die 60 stikverfahren angepasst werden.

einfach zu konstruieren ist. Der Nachteil dabei ist, dass da die Was das System anbelangt, wurde festgestellt, dass Daten Zeitkonstante des Kondensators das Produkt sowohl der Wi- erhalten werden können, die die Lage eines Sprengstoffs in ei-derstands- als auch der Kapazitätskomponente ist, diese nem Paket angeben, lediglich durch Beobachtung und Ände-

Komponentenwerte im allgemeinen nicht leicht bestimmt rung der Kapazität und des Leitwerts des Pakets, während werden können. 65 sich dieses zwischen den Platten hindurchbewegt.

Fig. 8 zeigt eine Brückenschaltung, die mit einem Sinus- Ein Bezugspunkt, wie z.B. die Geschwindigkeit eines Um-

wellengenerator 90 betrieben wird. Brückenelemente 92 und schlags im Laufe seiner seitlichen Durchführung, oder eine 94 sind abgeglichene Impedanzen, die mit einem Detektor 96 Zeitbasis können verwendet werden, um den Punkt abzuta-

650 338

sten, an welchem sich die Kapazitäts- oder Leitwerte ändern. Die Analyse dieser Daten macht es möglich, 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 Fouriertransformationssystems, wie etwa eines Digitalrechners, oder durch Verwendung einer analogen Fouriertransformationstechnik, wie etwa eines Adaptivfilters. Die individuellen, bezüglich den verschiedenen Frequenzenphasen-sensitiven Detektoren 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 in festen Zeitintervallen untersucht und mit den Standard-Fouriertransformations-techniken in einem Rechner, z.B. einem Minirechner, analysiert werden. Vorteilhafterweise ist es möglich, zu diesem Zweck denselben Rechner zu verwenden, der im Zusammenhang mit der Identifikation der Art eines dielektrischen Bestandteiles oder eines Sprengstoffs vorangehend erwähnt wurde.

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 die kapazitiven 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 anderen passenden leitenden Material, hergestellt sind und mit einem Schutzring, der um die Mittelplatte herum angeordnet ist. Diese letztere Anordnung 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 Präzisionsme-tallfilm-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 auf 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 ein Spannungsausgangssignal umsetzen, das dann von dem Detektor 118 festgestellt werden kann. Wie oben erwähnt, kann dazu entweder ein phasenempfindlicher Detektor oder ein Fouriertransformationssystem vorgesehen sein.

Obwohl es möglich ist, einen Widerstand statt des Verstärkers 116 zu verwenden, um den Strom in ein Spannungsausgangssignal umzusetzen, ist die Verwendung des Verstärkers besser, da er sehr empfindlich auf den Strom ist und den Schaltkreis nicht belastet. Darüber hinaus-hilft der Verstärker 116, ein ausgeglichenes Potential zwischen den Punkten H und G der Schaltung aufrechtzuerhalten. Die kapazitiven Elemente 112,114 werden justiert, bevor eine Probe zwischen die Platten gelegt wird, um eine Ausgangsspannung von 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 dienende kapazitive Element eingeführt worden ist. Gelegentlich kann die Testprobe ein so grosses Antwortsignal erzeugen, wenn es in das kapazitive Element eingeführt wird, dass die Ausgangsspannung des Verstärkers 116 seinen dynamischen Bereich übersteigt. In diesem Fall ist es möglich, das andere kapazitive Element zu benutzen, um die Ausgangsspannung durch Nullsetzung von mindestens einem Teil des Antwortsignals herabzusetzen, so dass der Verstärker wieder innerhalb seines dynamischen Bereiches arbeitet. Vorzugsweise kann das erreicht werden, indem eine im wesentlichen identische Probe in das andere kapazitive Element eingeführt wird. Wenn daher z.B. eine der Proben Metall enthält und die resultierende Ausgangsspannung den dynamischen Bereich des Verstärkers überschreitet, dann wird das Einsetzen 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 hefern. Diese Information kann dann weiterverarbeitet werden und mit Standardkennkurven verglichen werden, indem ein Rechner verwendet wird, wie bereits oben beschrieben.

Die in Fig. 9 dargestellte Schaltung hat daher die Vorteile, dass erstens das System für jeden Testlauf nur einmal abgeglichen 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, aufgrund der komplementären Natur der physikalischen Anordnung des kapazitiven Systems und der Verwendung eines Schutzringes. 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 dieser Schaltungen betreffen die Qualitätskontrolle in Herstellungsprozessen, die Bodenanalyse auf Wassergehalt, die Analyse von Geweben auf Fettgehalt und die Mengenanalyse der Verunreinigungen in einer Flüssigkeit.

Bei letzterem Beispiel gibt es die Möglichkeit, die Öl-menge, 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 zu überwachen und zu prüfen.

6

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

c

3 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

1. 650 338

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Identifizierung der Bestandteile eines Stoffes, der mindestens einen hoch-dielektrischen Bestandteil enthält, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Leitwerteigenschaft des Stoffes (60; S) abgetastet wird, indem dieser zwischen zwei Platten (58; 74,76; 102, 104), welche einen Teil eines kapazitiv reagierenden elektrischen Netzwerkes bilden, hindurchgebracht wird, und b) eine Wechselspannung an den zwei Platten (58; 74,76; 102,104) angelegt wird, bei einer Frequenz, bei welcher der Leitwert des interessierenden Stoffes einen höheren als einen vorbestimmten Wert hat.
2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzwert zwischen 10 Hz und 150 Hz verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitwert des Stoffes (60; S) darauf geprüft wird, ob er grösser als 1 x IO-2 Nano-Siemens ist.
4. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, verschiedene Wechselspannungs-Fre-quenzwerte zur Entwicklung einer Kennkurve nacheinander angelegt werden, und dass diese Kennkurve mit anderen Kennkurven verglichen wird, die von nachfolgenden Proben erhalten werden, die zwischen die zwei Platten eingeführt werden.
5. 5. Verfahrennach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirklichen ohmschen und kapazitiven Widerstandskomponenten aus dem Verlust ermittelt werden, welcher auftritt, wenn der Stoff (60; S) zwischen die zwei Platten (58; 74,76; 102,104) eingeführt wird.
6. 6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Daten relativ zur Änderungsrate des Leitwerts, sowie zur Grösse des Leitwerts, wenn die Änderungsrate auf Null fallt, ermittelt werden, damit Informationen über die Volumenkonzentration und die Gesamtmenge des dielektrischen Bestandteiles im Stoff (60; S) erhalten werden.
7. 7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzwert zwischen 20 und 150 kHz verwendet wird, damit versteckte Explosivstoffe aufspürbar werden.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch a) eine zwei Platten aufweisende kapazitive Baueinheit (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) eine kapazitiv reagierende Baueinheit (54; 82; 96; 118), die verbunden ist mit der kapazitiven Baueinheit (58; 74,76; 102,104; 112), um deren Kapazitätsänderung zu bestimmen, und c) eine Wechselspannung erzeugende Baueinheit (52; 72; 90; 110), an die die kapazitive Baueinheit (58; 74,76; 102,104; 112) angeschlossen ist, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheit (58; 74,76; 102,104; 112) wiedergibt.
9. 9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitive Baueinheit (58; 74,76; 102,104; 112) einen Kapazitätswert aufweist, und ihre Platten (74,76; 102,104) genügend weit räumlich voneinander getrennt sind, damit der zu prüfende Stoff (60; S) dazwischen durchgeführt werden kann.
10. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiv reagierende Baueinheit ein Zeitglied (54) beinhaltet, an welches die kapazitive Baueinheit (58) angeschlossen ist.
11. 11. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmbaueinheit (70; 80) mit der kapazitiv

    2

    reagierenden Baueinheit (54; 82) in einer Schaltung verbunden ist und dass die Alarmbaueinheit aktivierbar ist, wenn die Änderung des Leitwerts der kapazitiven Baueinheit (58; 74, 76) einen vorbestimmten Wert übersteigt.

    5 12. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiv reagierende Baueinheit einen Tondekoder (68) aufweist.
12. 13. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiv reagierende Baueinheit einen De-

    io tektor (82) und einen Zähler (84) aufweist.
13. 14. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiv reagierende Baueinheit eine abgeglichene Brückenschaltung mit einem Detektor (96) im neutralen Zweig aufweist und die beiden Platten (102,104) in ei-

    15 nem der Brückenzweige enthalten sind und ein veränderlicher Widerstand (98) und ein Kondensator (100) in dem benachbarten Brückenzweig enthalten sind.
14. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch

    20 a) eine zwei Platten aufweisende kapazitive Baueinheit (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,

    25 b) eine kapazitiv reagierende Baueinheit (54; 82; 96; 118), die verbunden ist mit der kapazitiven Baueinheit, um die Änderung der Leitfähigkeit der kapazitiven Baueinheit (58; 74, 76; 102,104; 112) zu bestimmen und c) eine Wechselspannung erzeugende Baueinheit (52; 72;

    30 90; 110), an die die kapazitive Baueinheit (58; 74,76; 102,114; 112) angeschlossen ist, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen, das den Leitfähigkeitswert der kapazitiven Baueinheit wiedergibt.
15. 16. Vorrichtung nach Patentanspruch 15, gekennzeichnet

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

    4o b) die Wechselspannung erzeugende Baueinheit (52; 72; 90; 110), die auch ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheit wiedergibt.
16. 17. Vorrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch ge-

    45 kennzeichnet, dass a) die kapazitive Baueinheit (102,104; 112) in eine Brük-kenschaltung geschaltet ist,

    b) eine Detektoreinheit (96) dazu parallel geschaltet ist, und so c) die Detektoreinheit eine Rechnereinheit beinhaltet, welche sequentielle Daten erhält und diese bezüglich zuvor gespeicherter Daten analysiert.
17. 18. Vorrichtung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ss a) die kapazitive Baueinheit mindestens zwei in Serie geschaltete kapazitive Elemente (122,114) aufweist, dass weiter b) die kapazitiv reagierende Baueinheit mit diesen kapazitiven Elementen (122,114) zur Auswertung der Kapazitätsänderung aus der kapazitiven Baueinheit verbunden ist, wobei so die kapazitiv reagierende Baueinheit eine Detektorbaueinheit (118) und eine zwischen den kapazitiven Elementen (122,114) angeschlossene Spannungsbaueinheit (116) aufweist zur Umwandlung von durch die kapazitiven Elemente (122,114) erzeugtem Strom in eine Ausgangsspannung, und dass

    65 c) die Wechselspannung erzeugende Baueinheit (110) über die die kapazitive Baueinheit angeschlossen ist, zur Erzeugung eines abgeglichenen elektrischen Ausgangssignals, das den Kapazitätswert der kapazitiven Baueinheit darstellt.

    3 650 338
18. 19. Vorrichtung nach Patentanspruch 18, dadurch ge- Ausführungsbeispiele des Verfahrens besitzen die Merkmale kennzeichnet, dass die kapazitive Baueinheit drei räumlich der Ansprüche 2 bis 7. Je eine Vorrichtung zur Durchführung getrennte Platten mit einem umgebenden Schutzring aufweist, des Verfahrens ist in den Ansprüchen 8 und 15 beansprucht, der an der mittleren Platte angeordnet ist, wobei die mittlere Die Erfindung besitzt folgende Vorteile. Die Stoffe kön-Platte mit der Spannungsbaueinheit verbunden ist, um den 5 nen in geschlossenen Behältern, z.B. in Paketen oder Briefen durch die kapazitive Baueinheit erzeugten Strom in eine Aus- auf ihre Bestandteile, über ihre elektrischen Eigenschaften ge-gangsspannung umzusetzen. prüft werden. Es können hohe Prüfgeschwindigkeiten ver-
19. 20. Vorrichtung nach Patentanspruch 18 oder 19, dadurch wendet und Sofort-Ergebnisse erzielt werden. Es können Begekennzeichnet, dass die kapazitive Baueinheit in einer abge- standteile mit hohen Dielektrizitätskonstanten identifiziert glichenen Brückenschaltung angeschlossen ist, die Span- io und Informationen über die Konzentration der Bestandteile nungsbaueinheit ( 116) zur Umwandlung von durch die kapa- im Stoff erzielt werden. Es kann auch der Feuchtigkeitsgehalt zitive Baueinheit erzeugten Strom zwischen den kapazitiven inhomogener Stoffe, z.B. der Erde bestimmt werden. Elementen (112,114) angeschlossen ist und die Detektorbau- Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung einheit ( 118) an die Spannungsbaueinheit (116) angeschlossen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

    ist, wobei die Detektorbaueinheit (118) eine Baueinheit zur 15 Fig. 1 Kurven, die die Leitfähigkeit als Funktion der Fre-

    Durchführung einer Fouriertransformationsanalyse von Pha- quenz darstellen, und veranschaulicht das Leitwert-Verhalten sen- und Amplitudendaten aufweist, die von der kapazitiven einiger Sprengstoffe im Vergleich zu anderen Stoffen;

    Baueinheit erzeugt werden. Fig. 2 eine graphische Darstellung vom Leitwert als

    Funktion der Frequenz für einige Sprengstoffe und Nicht-Ex- 20 plosivstoffe, welche den höheren Leitwertpegel von Sprengstoffen veranschaulicht;