RU2243571C2

RU2243571C2 - Self-oscillator dielcometer

Info

Publication number: RU2243571C2
Application number: RU2002135234/28A
Authority: RU
Inventors: В.К. Федотов (RU); В.К. Федотов; В.В. Ключников (RU); В.В. Ключников; В.А. Бевзов (RU); В.А. Бевзов
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-12-27

Abstract

FIELD: nondestructive parameter tests of materials, substances, and parts; detecting substances by dielectric constant value.

SUBSTANCE: differential instrument capacitor has general and measuring electrodes. These electrodes are inserted in frequency-setting circuits of test oscillators. The latter are connected to frequency comparator. Additional capacitors are series-connected in frequency-setting circuit of one of test oscillators. Common point of additional capacitors is connected to one of measuring electrodes of differential instrument capacitor.

EFFECT: enhanced measurement sensitivity.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля параметров материалов, веществ, изделий и может быть использовано как при изучении их физико-механических свойств, так и в технологических процессах для оценки их качества (наличия) по величине их диэлектрического параметра.The invention relates to means of non-destructive testing of parameters of materials, substances, products and can be used both in the study of their physico-mechanical properties, and in technological processes to assess their quality (availability) by the value of their dielectric parameter.

Известно устройство контроля параметров вещества, содержащее дифференциальный измерительный конденсатор, измерительный и образцовый генераторы, устройство сравнения частот. Дифференциальный измерительный конденсатор включен в частотозадающую цепь измерительного генератора (см. патент США № 4045728, кл. 324-59, 1977).A device for controlling the parameters of a substance is known, comprising a differential measuring capacitor, measuring and reference generators, a frequency comparison device. The differential measuring capacitor is included in the frequency-setting circuit of the measuring generator (see US patent No. 4045728, CL 324-59, 1977).

Недостатком известного устройства является его низкая чувствительность, так как второй генератор является пассивным.A disadvantage of the known device is its low sensitivity, since the second generator is passive.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является автогенераторный диэлькометрический измеритель, содержащий дифференциальный измерительный конденсатор с общим и измерительным электродами, измерительный и образцовый генераторы, устройство сравнения частот, связанное с последними. Общий и измерительный электроды дифференциального измерительного конденсатора выполнены в виде пластин, расположенных в параллельных плоскостях. Измерительный и образцовый генераторы снабжены частотозадающими цепями. Электроды дифференциального измерительного конденсатора включены в частотозадающую цепь измерительного генератора (см. авторское свидетельство СССР №868634, М. кл. 3 G 01 R 27/26, G 01 N 27/22).The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a self-oscillating dielcometric meter containing a differential measuring capacitor with a common and measuring electrodes, measuring and reference generators, a frequency comparison device associated with the latter. The common and measuring electrodes of the differential measuring capacitor are made in the form of plates located in parallel planes. Measuring and reference generators are equipped with frequency-setting circuits. The electrodes of the differential measuring capacitor are included in the frequency-setting circuit of the measuring generator (see USSR author's certificate No. 868634, M. class. 3 G 01 R 27/26, G 01 N 27/22).

Основным недостатком автогенераторного диэлькометрического измерителя является низкая чувствительность измерения, так как образцовый генератор является пассивным.The main disadvantage of a self-oscillating dielcometric meter is the low sensitivity of the measurement, since the reference generator is passive.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения чувствительности измерения при сохранении стабильности.The present invention solves the problem of increasing the sensitivity of the measurement while maintaining stability.

Для достижения данного технического результата автогенераторный диэлькометрический измеритель, содержащий дифференциальный измерительный конденсатор с общим и измерительным электродами, генераторы, в частотозадающую цепь одного из которых, являющегося измерительным, включены электроды дифференциального измерительного конденсатора, устройство сравнения частот, снабжен дополнительными конденсаторами, последовательно включенными в частотозадающую цепь одного из генератора, являющегося измерительным, как и другой генератор. В частотозадающую цепь другого измерительного генератора также включены электроды дифференциального измерительного конденсатора. Общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора.To achieve this technical result, a self-generating dielcometric meter containing a differential measuring capacitor with a common and measuring electrodes, generators, in the frequency setting circuit of one of which, which is a measuring circuit, includes electrodes of a differential measuring capacitor, a frequency comparison device equipped with additional capacitors in series with the frequency setting circuit one of the generator, which is measuring, like the other generator. The frequency measuring circuit of another measuring generator also includes electrodes of a differential measuring capacitor. The common point of the additional capacitors is connected to one of the measuring electrodes of the differential measuring capacitor.

Кроме того, для дополнительного повышения чувствительности измерения, общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора через резистор, сопротивление которого определяется по формулеIn addition, to further increase the measurement sensitivity, the common point of the additional capacitors is connected to one of the measuring electrodes of the differential measuring capacitor through a resistor, the resistance of which is determined by the formula

где К - коэффициент, равный 0,5-2,0;where K is a coefficient equal to 0.5-2.0;

f - частота измерительного генератора, в частотозадающую цепь которого включены дополнительные конденсаторы;f is the frequency of the measuring generator, in the frequency setting circuit of which additional capacitors are included;

С - емкость частотозадающей цепи с дополнительными конденсаторами измерительного генератора.C is the capacity of the frequency-setting circuit with additional capacitors of the measuring generator.

Измерительные электроды дифференциального измерительного конденсатора могут быть выполнены в виде сегментов и расположены в одной плоскости по обе стороны от общего электрода.The measuring electrodes of the differential measuring capacitor can be made in the form of segments and are located in the same plane on both sides of the common electrode.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема автогенераторного диэлькометрического измерителя, на фиг.2 изображены электроды дифференциального измерительного конденсатора.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 is a functional diagram of a self-generated dielcometric meter, Fig. 2 shows electrodes of a differential measuring capacitor.

Автогенераторный диэлькометрический измеритель содержит измерительные генераторы 1 и 2, каждый из которых выполнен на двух инверторах 3, 4 и 5, 6 соответственно цифровой микросхемы, например, К561ЛН2. Частота каждого генератора определяется частотозадающей RC цепью. Частотозадающая цепь генератора 1 состоит из резистора 7 и конденсатора 8. Частотозадающая цепь генератора 2 состоит из резистора 9 и, последовательно соединенных, дополнительных конденсаторов 10 и 11. Измеритель содержит также дифференциальный измерительный конденсатор 12, измерительный электрод 13 которого подключен к общей точке частотозадающей цепи генератора 1, а измерительный электрод 14 - к общей точке дополнительных конденсаторов 10 и 11 частотозадающей цепи генератора 2.The self-generating dielcometric meter contains measuring generators 1 and 2, each of which is made on two inverters 3, 4 and 5, 6, respectively, of a digital microcircuit, for example, K561LN2. The frequency of each generator is determined by the frequency-setting RC circuit. The frequency setting circuit of the generator 1 consists of a resistor 7 and the capacitor 8. The frequency setting circuit of the generator 2 consists of a resistor 9 and connected in series, additional capacitors 10 and 11. The meter also contains a differential measuring capacitor 12, the measuring electrode 13 of which is connected to a common point of the frequency setting circuit of the generator 1, and the measuring electrode 14 to the common point of the additional capacitors 10 and 11 of the frequency-setting circuit of the generator 2.

Измерительные электроды 13 и 14 расположены в одной плоскости с общим низкопотенциальным (заземленным) электродом 15. При этом измерительные электроды 13, 14 выполнены в виде сегментов и размещены по обе стороны от общего электрода 15.The measuring electrodes 13 and 14 are located in the same plane with the common low-potential (grounded) electrode 15. In this case, the measuring electrodes 13, 14 are made in the form of segments and placed on both sides of the common electrode 15.

Генераторы 1 и 2 через соответствующие буферные каскады 16, 17 (инверторы микросхемы) подключены к устройству сравнения частот - 18, в качестве которого может быть использовано устройство выделения разности частот, например реверсивный счетчик, или устройство измерения отношения частот, например, выполненное на микроконтроллере.Generators 1 and 2 are connected through corresponding buffer stages 16, 17 (microcircuit inverters) to a frequency comparison device - 18, which can be used as a frequency difference extraction device, for example, a reversible counter, or a frequency ratio measuring device, for example, made on a microcontroller.

Общая точка дополнительных конденсаторов 10, 11 частотозадающей цепи генератора 2 подключена к измерительному электроду 14 через резистор 19. Сопротивление резистора 19 определяется по формуле (1).The common point of the additional capacitors 10, 11 of the frequency-setting circuit of the generator 2 is connected to the measuring electrode 14 through the resistor 19. The resistance of the resistor 19 is determined by the formula (1).

Автогенераторный диэлькометрический измеритель работает следующим образом.Self-generating dielcometric meter works as follows.

Частота генератора 1, зависящая от его частотозадающей цепи, состоящей из резистора 7 и конденсатора 8, определяется в соответствии со следующим выражением:The frequency of the generator 1, depending on its frequency-setting circuit, consisting of a resistor 7 and a capacitor 8, is determined in accordance with the following expression:

где R7 - сопротивление резистора 7;where R7 is the resistance of the resistor 7;

С8 - емкость конденсатора 8.C8 - capacitor 8.

Подключение измерительного электрода 13 к общей точке частотозадающей цепи приводит к увеличению эффективной емкости этой цепи, следовательно, частота генератора 1 с увеличением емкости дифференциального измерительного конденсатора 12 уменьшается.The connection of the measuring electrode 13 to a common point of the frequency-setting circuit leads to an increase in the effective capacitance of this circuit, therefore, the frequency of the generator 1 decreases with an increase in the capacitance of the differential measuring capacitor 12.

Частота генератора 2, зависящая от его частотозадающей цепи, состоящей из резистора 9 и последовательно включенных конденсаторов 10 и 11, определяется выражением, аналогичным (2)The frequency of the generator 2, depending on its frequency-setting circuit, consisting of a resistor 9 and series-connected capacitors 10 and 11, is determined by an expression similar to (2)

где R9 - сопротивление резистора 9;where R9 is the resistance of the resistor 9;

С10 - емкость дополнительного конденсатора 10;C10 is the capacity of the additional capacitor 10;

С11 - емкость дополнительного конденсатора 11.C11 is the capacity of the additional capacitor 11.

Однако, подключение измерительного электрода 14 к общей точке дополнительных конденсаторов 10, 11 приводит к уменьшению эффективной емкости этой частотозадающей цепи. Следовательно, частота генератора 2 с увеличением емкости дифференциального измерительного конденсатора 12 увеличивается.However, the connection of the measuring electrode 14 to the common point of the additional capacitors 10, 11 leads to a decrease in the effective capacitance of this frequency-setting circuit. Therefore, the frequency of the generator 2 increases with the capacity of the differential measuring capacitor 12.

В результате на устройство сравнения частот 18 поступает частота от генераторов 1 и 2 с противоположным по знаку приращением. Внесение контролируемого вещества в рабочую область дифференциального измерительного конденсатора 12 приведет к увеличению его емкости пропорционально объему и диэлектрической проницаемости вещества. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению частоты генератора 1 и к увеличению частоты генератора 2. Частота с генераторов 1 и 2 через буферные каскады 16 и 17 поступает на устройство сравнения частот 18. Таким образом, общее приращение частоты, поступающее на устройство сравнения частот 18, увеличится, то есть чувствительность измерителя повысится. В то же время, поскольку генераторы выполнены на одинаковых элементах, то их временная и температурная нестабильность одинаковы, то есть отношение частот (стабильность измерителя) не изменится.As a result, the frequency comparing device 18 receives the frequency from the generators 1 and 2 with the opposite increment in sign. The introduction of a controlled substance into the working area of a differential measuring capacitor 12 will increase its capacity in proportion to the volume and dielectric constant of the substance. This, in turn, will lead to a decrease in the frequency of the generator 1 and to an increase in the frequency of the generator 2. The frequency from the generators 1 and 2 through the buffer stages 16 and 17 is supplied to the frequency comparison device 18. Thus, the total frequency increment supplied to the frequency comparison device 18 will increase, that is, the sensitivity of the meter will increase. At the same time, since the generators are made on the same elements, their temporal and temperature instabilities are the same, that is, the frequency ratio (meter stability) will not change.

Экспериментально было определено, что при подключении измерительного электрода 14 к общей точке конденсаторов 10 и 11 через резистор 19 приводит к увеличению приращения частоты от внесенного вещества. Причем максимальное приращение можно получить при выборе сопротивления этого резистора из выражения (1).It was experimentally determined that when the measuring electrode 14 is connected to the common point of the capacitors 10 and 11 through the resistor 19, it leads to an increase in the frequency increment from the introduced substance. Moreover, the maximum increment can be obtained by choosing the resistance of this resistor from the expression (1).

Контролируемое вещество наиболее полно попадает в рабочую область дифференциального измерительного конденсатора 12 при выполнении измерительных электродов 13, 14 в виде сегментов и их размещении по обе стороны от общего электрода 15, то есть осуществляется исследование и контроль области вещества как вблизи электродов измерительного конденсатора 12, так и удаленной от этих электродов.The controlled substance most fully falls into the working area of the differential measuring capacitor 12 when the measuring electrodes 13, 14 are made in segments and placed on both sides of the common electrode 15, that is, the material region is examined and controlled both near the electrodes of the measuring capacitor 12 and remote from these electrodes.

Таким образом, по сравнению с автогенераторным диэлькометрическим измерителем, выбранным в качестве прототипа, предлагаемый автогенераторный диэлькометрический измеритель имеет примерно в два раза более высокую чувствительность.Thus, in comparison with a self-generating dielcometric meter selected as a prototype, the proposed self-generating dielcometry meter has approximately two times higher sensitivity.

Claims

1. A self-generating dielcometric meter, comprising a differential measuring capacitor with common and measuring electrodes, a measuring generator, in the frequency setting circuit of which a differential measuring capacitor electrode is included, a frequency comparison device, characterized in that it is equipped with a second measuring generator and two additional capacitors in series with frequency setting circuit of the second measuring generator, the common point of additional capacitors in connected to one of the differential measuring electrodes of the measuring capacitor.

2. The meter according to claim 1, characterized in that the common point of the additional capacitors is connected to one of the measuring electrodes of the differential measuring capacitor through a resistor, the resistance of which is selected from the relation

R = K / 2πfC,

where K is a coefficient equal to 0.5-2.0;

f is the frequency of the measuring generator, in the frequency setting circuit of which two additional capacitors are included;

C is the capacity of the frequency-setting circuit with additional capacitors of the measuring generator.

3. The meter according to claims 1 and 2, characterized in that the measuring electrodes of the differential measuring capacitor are made in the form of segments and are located in the same plane on both sides of the common electrode.