Устройство для измерения диэлектрической проницаемости проводящих материалов

Устройство для измерения диэлектрической проницаемости проводящих материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Авторы изобретения

Ю. В. Подгорный, А. И. Аверин н Л. А. Терпевшая

1 (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано при разработке прецизионных днэлькомеъpos и диэлькометрическнх анализаторов состава веществ с изменяющейся в ши роком диапазоне проводимостью.

Известны устройства для измерения диэлектрической проницаемости, основан- ные на измерении емкости датчика, sumo» о ченного в пассивный РI C -двухполюсник (резонансный измерительный ЬС «контур) прн параметрической модуляции.

Такие устройства содержат рж онанс ный измерительный 4С-контур (с включенным в него емкостным датчиком), asтающий высокочастотный генератор, модулируюший элемент, компенсирующий элемент, демодулятор, нульорган.

Модификации измерительных схем раз- щ личаются видом высокочастотного напряжения, питакяцего резонансный измеря тельный Ю-контур (немодулированное или частотна-модулированное) способом

2 включения модулирующего элемента (в измерительном IC онтуре или генера торе) н методом включения компенсирую щего элемента (в измерительном LCконтуре нли генераторе} 11 и 2)

Недостатком таких устройств являеъ. ся то, что условие независимости результата измерений E от проводимости образа не выполняется при наличин высших гармонических составляющих в питающем измерительный ЬС -контур напряжении, что практически всегда имеет место в реальных схемах вследствие нелинейных искажений.

Известно также устройство для измерений диэлектрической проницаемости, которое применяется в качестве автоматического электронного влагомера, содер жащее емкостной датчик, включенный s резонансный измерительный С-контур, в который также включен компенсирую» щий конденсатор переменной емкости, и периодически подключается Фодулйрующий ,конденсатор, модулятор (управляющий где А и 4 - модупи коэффициента передачи для гармонического сигнала; А = / 0 j Е /;

UK - напряжение на ЬС -контуре;

Е - ЭДС генератора;

g - проводимость, шунтирующая

ЬС -контур;

Ср - резонансная емкость;

С д - модулирующая емкость.

Иэ анализа уравнении (1) нетрудно показать, что значение емкости Ср, со ответствующее резонансу, не зависит от шунтирующей LC -контур проводимости Q

7аким 06pBsoM Qoc TQHHc TBGM извес тabtx устройств является теоретическое отсутствие погрешности измерения диэлектрической проницаемости, зависящей от проводимости исследуемого вещества, 40

3 9381 1 модулирующим конденсатором, питающий высокочастотный (ВЧ) генератор, демодулятор и нуль-орган) P3)

Устройство работает следующим образом. S

Измерительный LC -контур питается от генератора ВЧ-напряжения с фиксированной частотой. Модуляция осуществляется периодическим подключением с помощью ключа модулирующей емкости к f0 С -контуру. Работой ключа управляет модулятор. При отсутствии равновесия в системе на измерительном 1С -контуре образуется амплитудно-модулированное

ВЧ-напряжение. Низкочастотная огибаю- 1S щая выделяется демодулятором (детектором) и поступает на нуль-орган, на выходе которого образуется управляющий сигнал, используемый в статической или астатической системах слежения для воз- 20 действия на компенсирующую емкость.

Изменением последней схема приводится в состояние равновесия.

Диэлектрическая проницаемость E или связанные с ней параметры анализируе- 2S мого вещества Определяются по изменению емкости компенсирующего конденсатора.

При подаче на измерительный ЬС -контур с ВЧ-генератора гармонического напряжения условием настройки контура в резонанс с частотой генератора (равновесия измерительной схемы) является равенство модулей коэффициента передачи при подключенной и Отключенной моду» З лирующей емкости, т. е. при питании резонансного измерительного

LC -контура строго гармоническим высокочастотным напряжением.

Недостатком известных устройств является появление ошибки в измерении диэлектрической проницаемости, зависящей от проводимости образца, при наличии высших гармоник в питающем напряжении.

На фиг. 1 показана зависимость модулей коэффициента передачи от емкости измерительного t C-контура для первой и -второй гармоник . А и А соответственно; на фиг. 2 - блок-схема предлагаемого устройства.

При значении емкости измерительного

4С -контура Ср, соответствующему равенству модулей коэффициента передачи по первой гармонике, модули коэффициента передачи по второй гармонике не равны, т. е. А>) é . Очевидно, в этом случае настройка ЬС-контура в резонанс осуществляется до выполнения следующего равенства

"„-А1=(("2 A ) (2) . где с(. - коэффициент, учитывающий относительное содержание второй гармоники и ее фазу.

Равенству (2) удовлетворяет значение емкости ьС-контура С + АС,, где h Cp погрешность настройки и резонанс из-еа наличия гармоник. е

МОжнО показать, чтО pBGHocTE Ag p g практически остается постоянной в широком диапазоне значений проводимостей, шунтирующих ЬС -контур и значений емкости С вблизи Ср.

Учитывая последнее обстоятельство, равенство (2) можно записать в следующем виде:

2 — С, =((Ag. À ) (3) или

2. <С Ы:Д, =СОИ& t .

Известно, что крутизна склонов резонансной характеристики колебательного контура сильно зависит от шунтирующей контур проводимости ф .

Поэтому, как видно из выражения (4), погрешность настройки АС, будет изменятъси в широких пределах при изменении проводимости измеряемого образца.

Зависимость 6+ от (вносит непосредственный вклад в погрешность измерения диэлектрической проницаемости. Все сказанное о влюппя второй гармоники также справедливо и для. более высоких гармо»нических составляющих.

5 938

Даже при достаточно малых нелинейных искажениях (K 1%) погрешность измерения Е при изменении проводимости исследуемого вещества превышает 6%.

Бель изобретения - повышение точ- s ности за счет исключения влияния второй гармоники генератора.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения диэлектрической проницаемости; материалов, состоящее 1О из емкостного датчика, включенного в измерительный ЬС -контур с тремя параллельно соединенными конденсаторами, один из которых подключен к модулятору, генератора, демодулятора, нуль-ор- 15 гана, содержит сумматор, один из входов которого соединен с демодулятором, дру- . гой вход сумматора соединен с выходом модулятора, в выход сумматора соединен с нуль-органом. 20

Подача напряжения с модулятора на вход нуль-органа вместе с напряжением с выхода демодулятора, соотношение амплитуд и фаз которых задается в сумматоре, сводит к минимуму влияние высших гармоник нв 25 точность измерения диэлектрической проницаемос ти.

Устройство содержит генератор 1 высокочастотного напряжения, резонансный измерительный контур, образованный ка- Эф тушкой индуктивности 2, компенсирующим конденсатором 3, модулирующей емкостью 4 и емкостным датчиком 5, коммутирующий ключ 6, демодулятор 7, модулятор 8, нуль-орган 9 и сумматор 10.

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектри« .ческой проницаемости, материалов, состоящее из емкостного датчтжа, включенного в измерительный С -контур с тремя па» раллельно соединенными конденсаторами, один иэ которых подключен к модулятору, генератора, демодулятора, нуль-органа, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния второй гармоники генератора, оно содержит сумматор, один из входов которого соединен с демодулятором, другой вход сумматора соединен с выходом модулятора, а выход сумматора соединен с нугп органом.

Источники информации, принятые во. внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

М 266286, кл, G01 К 27/22, 28. 1 1.68.

Устройство работает следующим образом.

При изменении емкости датчика 5 (например, после заполнения исследуемым

iO веществом) LC -контур расстраивается относительно частоты ВЧ-генератора 1.

Высокочастотное напряжение на 4С -контуре модулируется по амплитуде, вслед.ствие неравенства коэффициентов пере4S дачи измерительной схемы при подключенном и отключенном модулирующем конденсаторе 4. Коммутация конденсатора 4 в 4С -контуре осуществляется с помощью ключа 6. Работой ключа 6 управляет мо дулятор 8. Демодулятором 7 выделяется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном .

ЬС -контуре. Фаза огибающей зависит от знака расстройки контура относительно частоты генератора 1 и может изменяться на 180 относительно фазы модулио рующего напряжения. Сигнал с демодулятора 7 поступает на первый вход сум1 18 6 матора 10. На второй его вход поступает сигнал с модулятора 8. Этим сигналом в сумматоре 10 компенсируется составляющая сигнала расстройки, обусловленная наличием высших гармоник в питающем ВЧ-напряжении. В результате параметры сигнала расстройки на выходе сумматора характеризуют расс тройку

LC -контура только по первой основной гармонике.

Далее сигнал расстройки поступает на вход нуль-органа 9, на второй вход которого поступает опорное напряжение с модулятора 8. На выходе нуль-органа

9 образуется управляющий сигнал, изменяющий емкость компенсирующего конденсатора 3 так, что измерительная схема приходит в равновесие и ЬС-контур оказывается настроенным в резонанс относительно первой гармоники ВЧ-генератора независимо от проводимости ис« следуемого вещества в датчике 5.

По изменению емкости компенсирую щего конденсатора 3 определяют приращение емкости датчика 5 при внесении в него исследуемого вещества и диэлектрическую проницаемость.

Испытания показали надежность действия предлагаемого устройства нри из- мерении диэлектрической проницаемости проводящих веществ с переменным значением проводимости. При тщательной настройке сумматора может быть достигнута полная компенсация влияния нелинейных искажений питающего высокочастотного сигнала на измерения диэлектрической проницаемости.

ВНИИПИ Закаэ 4449/65 Тираж 887 Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород. ул. Проектная, 4

2. Авторское свидетельство СССР

М 321738, кл. 501 М 27/22, 2 7.05.70.

9381 18 S

3. Авторское свидетельство СССР

Ию 529407, кл. 001 М 27/22, 12.07.73 (прототип) .