SU1128196A1 - Измеритель параметров диэлектриков - Google Patents

Abstract

ИЗМЕРга:ЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ ,- содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление , liC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненной в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель посто нного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управл кщим входом синхронного детектора,   отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вьгаод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений малык приращений емкости, в него введены второй иС -контур, образованный второй катушкой индук тивноСти и измерительным датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки введенного контура соединен с в1 1ходом генератора, второй амплитудный детек тор , частотный модул тор, ькчзд ко- . торого соединен, с модулирующим вхо . дом высокочастотного генератора, а вход - с выходом коммутационного генератора, последовательно соеди- : ненные регул тор частоты к генератор; иг пульсов, два вентил , входы кото- : г Iрьк соединены с выходом усилител  посто нного тока и с входом регул О ) iTopa частоты, два ключевых блока, управл ющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из венти-, лей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которогосоединен с выходом одного из ключевых блоков, управл ема  образцова  емкость , подключенна  во второй LC контур параллельно его катзтаке индуктивности , и измерительному датчику, и реверсивньй счётчик импульсов, выход которого соединен с входом отсчетно-регистрирующега блока, а каждый из разноименныхвходов под .ключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входай реверсивного шагового двигател , выход которого св зан с .регулирун цин входом управл емой образцовой емкости , причем.один из детекторов и один из вентилей включены в пр мом, а другие - соответственно в обратном

Description

йаправлени х, при этом входы детекJTopOB соединены с. выводами датчика,

- с входом фильтра нижних

а выходы частот

Изобретение относитс  к средствам неразрзга1ающего контрол  непровод щих сред, например полимерньк композиций на основе диэлектриков, и может быть использовано как. дл  исследовани  композитных материалов, изменение физико-механических свойств которых вли ет на их диэлектрические характеристики, так и дл  контрол  кинетики физико-химиче-ских процессов структурообразовани  или твердени  в производстве р да матеЕ иалов и изделий , диэлектрические свойства которых завис т от технологических параметрйВо

Известно устройство дл  контрол  параметров реактивных элементов, индуктивностей или емкостей, основанное на измерении величины отклонени  (приращени ) реактивной соетавл ющей комплексного с.опротивлени  контролируемо-го элемента от образцового значени , и содержащее два автогенератора,, переключатель выход которого подключен к врем задающей цепи первого автогенератора, измерительный и образцовый реактивные элементы (емкости или индзтстивности ), общий вывод которых соединен с корпусом устройства, а два других подключены соответственно к входам переключател , а также низ кочастотный генератор, выход которо- ;го соединен с управл ющим входом переключател , частотный преобразователь , входы которого подключены к выходам автогенераторов, и .индика тор И .

Недостатком данного устройства  вл етс  невысока  точность камерени  из-за погрешности, обусловленной асимметрией -каналов переключател ,вызванной конструктивной неидентично тью его проходных (паразитньгх) емкостей ., нестабильностью (температзф;ной или. временной) .реактивных параметров сравниваемых элементов и ком- мутационными помехам -, возниканщш-ш

при переключении сравниваемых элемен-: тов.и измен ющими спектр зондирующего сигнала, что приводит к дрейфу НУЛ.Я устройства. Кроме того, нали-. чие электромеханического коммутато- ра (переключател ) ограничивает быстродействие и снижает надежность устройства .

Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл е.тс  устройство дл  контрол  технологических параметров непровод щих материалов,основанное на сравнении амплитуд двух сигналов, снимаемых с колеб тельного контура в разные такты коммутации .образцовой и измерительной емкостей дифференциального датчика, и содержащее высокочастотный генератор , емкость св зи, LC -контур, последовательно соединенные варикап и конденсатор, дифференциальный емкостной датчик, два переключател , разноименные входы которых соединены между собой и подключены к высокопотенциальным электродам датчика, последовательно соединенные детектор, узкополосный фильтр низкой частоты, избирательный усилитель низкой частоты , синхронньй детектор и отсчетно-регистрирующее устройство, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с заправл ющими, входами переключателей-и синхронного детектора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора источник опорного напр жени  и дефференциапьный усилитель посто нного тока, один из входов которого соеди ен с выходом фильтра нижних частот, другой вход подключен к выходу источника опорного напр жени , а выход соединен с первыми выходами варикаа и конденсатора, причем второй ывод конденсатора соединен с входом мплитудного детектора, с выходом переключател  и с одним- из ьюодов .LC -контура, второй вывод оторого соединен с вторым выводом варикапа с выходом второго переключател , с низкопотенциальными электродами датчиков, и с корпусом устройства, а средний вывод индуктивности liC -контура соединен через емкость св зи-с выходом высокочастотного генератора 2 . Недостатком известного устройств  вл етс  низка  точность измерени  малых приращений контролируемого параметра. . . Цель изобретени  - повьшение точ ;Ности измерени  малых приращений емкости. . Поставленна  цель достигаемс  тем, что в измеритель параметров диэлектриков, содержащий высокочастотный генератор, активное сопротив ление, LC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненньй в виде дифферен циального конденсатора измерительны датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель посто нного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, вькод которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также -коммутационньй генератор, вых которого соединен с управл ющим вхо дом синхронного детектора, и отсчет но-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивноети , а средний вывод катушки индукти ности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора, введены второй LC -контур , образованный второй катушкой индуктивности и измерительным датчиком , второе активное сопротивле- ние, через которое, средний вьшод ка тушки введенного контура соединен с выходом генератора, второй амплитудный детектор, частотный-МОДУЛЯТОР , выход которого соединен с модулирунлад мвходомвысокочастотного генератора, а вход - р выходом ком мутационного генератора, последовательно соед1 ненные регул тор час:тоты и генератор импульсов, два венти л , входы которых соединены с выхо .дом усилител  посто нного тока и с входом регул тора частоты, два ключевых блока, управл юпр1й вход каждого из которых соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальные входы подключены к вькоду генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которого соединен с выходом одного из ключевых блоков, управл ема  образцова  емкость, подключенна  во второй LC -контур параллельно его катушке индуктивности и измерительному датчику, и реверсив- j ный счетчик импульсов, выход которогЬ соединен с входом.отсчетно-регистрирующего блока, а каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллель но одноименным входам реверсивного шагового двигател J выход которого св зан с регулцрукщим входом управл емой образцовой емкости, причем один КЗ детекторов и один из вентилей включены в пр мом, а-другие соответственно в обратном направленй -  х, при этом входы детекторов сое- 1 динены с выводами, датчика, а выходы - с входом фильтра нижних частот. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого измерител ;.на фиг. 2 амплитудно-частотные харак-; теристики первого (пунктирной линией;) и второго (сплошна  лини ) LC -кон- туров.в исходном состо нии, т.е. после установки нул  (фиг. 2 а) и при внесении объекта измерени  в поле измерительного датчика первого .LG-контура-в случае равенства (фиг. 2 б) и различи - (фиг 2 в) крутизны характеристик обоих контуров; на фиг, 3 - эпюры напр жений , на выходе высокочастотного генерато-, ра (а) на выходе первого (б) и второго (в) выпр мителей-, на входе фильтра нижних частот (пунктирна  | лини ) и на входе усилител  посто н-i iHoro тока (сплошна  лини , фиг.З г), на выходе усилител  низкой частоты ; (д) и на выходе синхронного детектора (е), кроме того на фиг, 3 г штрих-пуиктирной линией показан уровень посто нной составл ющей выходлого напр жени , усилител  посто нного тока, а на фиг. S е пунктиром обозначен уровень напр жени  на выходе , усредн ющего звена-синхронного детектора, причем индексы у осей ординат на фиг, 3 указывают,к какому блоку измерител  относитс  изображенный график. Устройство содержит высокочастоТ ный генератор 1 с кварцевой стабша зацией частоты, частотный,модул тор 2, два активных сопротивлени  3 и .4, первый LС -контур 5, коммутацион ный генератор 6, включенные в первый LC -контур катушку 7 индуктивности и первую секцию 8 измеритель:Ного датчика 9с объектом измерени  катушку 10 индуктивност, управл еыую образцовую емкость 11 и вторую секцию 12 измерительного датчика, образующие второй- LC -контур 13, детекторы 14 и 15, синхронный детек тор 16, фильтр 17 нижних частот, усилитель 18 посто нного тока ТОТ, усилитель 19 низкой частоты, регул  ;тор 20 частоты, вентили 21 и 22, ;генератор 23,импульсов, ключевые ;блоки 24 и 25, реверсивный шаговьй .двигатель 26, реверсивньй счетчик ;27 импульсов и о счетно-регистрирую блок 28. . При этом выход генератора 1 чере активные сопротивлени  3 и.4 соеди|нен со средними выводами катушек |7 и 10 индуктивности контуров 5 и |13 соответственно,-Одни из крайних 1 выводов катушек 7 и Ю индуктивност ; соединены с общим выводом измерител кого датчика и корпусом устройства, а вторые - с вьгаодами секций 8 и 12 ;измерительного датчика и входами де текторов 14 и 15, выход которых через фильтр нижних частот 17 и УПТ 18 соединен с входами регул тора 20 частоты и вентилей 21 и 22. Вькод регул тора частоты соединен с управл ницим входом генератора 23 импульсов, выход которого соединен с одним из входов блоков 24 и 25, вторые входы соторых соединены с выходами вентилей. Выходы блоков 24 и 25 соединены с входами реверсивно го двигател  и счетчика 27, выход которого соединен с входом- отсчетно регистрирующего блока. Реверсивный двигатель управл ет-управл емой образцовой емкостью 11, включенной в контур 13, параллельно секции 12 : измерительного датчика Выход УПТ 1 соединен также с входом усилител  19 низкой частоты, выход которого соединен с сигнальным входом синхро ного детектора 16, управл ющий вход которого соединен с выходом коммутационного генератора 6, а выход с выходами амплитудных детекторов. . Выход генератора через модул тор 2 со динен с управл ющим входом генератора Измеритель работает следующим образом, С выхода высокочастотного генератора 1 через активные сопротивле ни  3 и 4 напр жение частоты GJf подаетс  соответственно на два LC контура 5 и 13 (фиг. 1), расстроенные относительно частоты высокочастотного генератора так, что их рабо-чие точки в исходном состо нии (без объекта 9, измерени ) наход тс  на правом склоне резонансных характеристик , где имеютс  относительно большие линейные участки. Причем pa-s бочее напр жение (т.е. рабоча  точка ) каждого из контуров соответствует приблизительно 0,7 своего резонансного значени , .кроме того, собственные параметры элементов второго LC -контура 13 - индуктивность катушки 10 и секци  12 измерительного датчика - эквивалентны собственным параметрам однотипных элементов (индуктивности катушки 7 и секции- 8 измерительного датчика без объекта , измерени ) первого tiC -контура 5, который конструктивно идентичен с вторым и в исходном состо нии в отсутствие внешних воздействий настроен так, что собственные резонансные частоты обоих контзфов 60 j и СОнеравны некоторому значению, которое в соответствии с положением рабочих точек лежит ниже значени  час-; тоты высокочастотного генератора (фиг. 2 .а) . Поскольку оба 1,С -контура нагружены на встречно включенные детекторы 14 и 15, то напр жение, поступающее в исходном состо нии на фильтр 17 нижних частот и  вл ющеес  суммой, полуволн синусоидальных сигналов, снимаемых через детекторы с обоих контуров, равно нулю. При внесении объекта 9 измерени  в поле секции 8 измерительного датчика происходит увеличение ее емкости, т.е. снижение резонансной частоты (Оц, первогб LC контура 5, что приводит к перемещению его рабочей точкт (точка А на фиг. 26) вниз по склону резонансной характеристики, в результате чего напр жение, поступающее на первый детектор 14, уменьшаетс  и на фильтре нижних частот по вл етс  посто нна  составл юща , величина и знак которой зависит от изменени  емкости секции 8 измерительного датчика.

После масштабировани  в усилителег 18 посто нного тока это напр жение поступает через вентиль 22 или -в за-; висимости от знака посто нной состав ющей через вентиль 21 на управл юий , вход ключевого блока 25 (или

24), открыва  его. Через открытьй ключевой блок 25-на параллельно .включенные реверсивный шаговьй двигатель 26 и реверсивный счетчик 27 импульсов с генератора. 23 импульсов будут поступать импульсы,,по которьм реверсивный шаговый двигатель будет измен ть значение управл емой образцовой емкости 11 до тех пор, пока не совмест тс  рабочие точки обоих LC -контуров, т,е. пока не выравн ютс  их коэффициенты передачи, при этом напр жение на выходе усилител  18 посто нного тока, пропорциональное разности потенциалов AU4g между точками А и Б (фиг. 2 б), будет стремитьс  к нулю, а соответстВУЮ1ДИЙ ключевой блок 25 (или 24)прекратит подачу импульсов на входы реверсивного шагового двигател  и реверсивного счетчика импульсов. Так как число импульсов, поступающих на двигатель 26 и счетчик 27,пропорционально приращению управл емой образцовой емкости 11, необходимому дл  компенсации вли ни  измер емой

величины, то показани  отсчетно-регистрирующего блока 28 будут пропорциональны приращению емкости измерительного датчика, определ емому значением диэлектрической проницаемости объекта 9 измерени , внесенного в поле секций 8 датчика.

Разность потенциалов между рабочими точками обоих ЦС -контуров, возникающа  при внесении объекта измерени  в поле одной из секций измерительного датчи са, может изменитьс  вследствие изменени  параметров элементов LC -контуров (температурный дрейф) и по влени  ,разпостй между крутизнами их резонансных характеристик кроме того, из-за случайных дрейфов могут измен тьс  и коэффициенты преобразовани  детекторов , что в конечном итоге приводит к погрешности измерени . Дл  умень ,швни  этой погрешности в измеритель введен частотный модул тор 2, который измен ет частоту выходного напр жени  высокочастотного.генератора 1 по гармоническому закону, задаваемому синусоидальным напр жением коммутационного генератора 6, подаваемым на вход частотного модул тора.

В результате частотной модул ции ,

зондирующего сигнала (фиг. За) высокочастотного генератора 1- происходит перемещение рабочих точек ItC - контуров по склонам их резонансных характеристик (фиг, 2 в) и на выходе

детекторов 14 и 15 по вл ютс  амплитудно- частотно-модулированные сигна-лы из полуволн синусоиды соответствующего знака (фиг. 3 б, в), причем амплитуда огибающей каждого из этих

сигналов пропорциональна коэффициёнту передачи .соответствукщих цепей и девиацри о (о частоты высокочастотного генератора. При различной.крутизне рабочих склонов резонансных

характеристик ЬС -контуров 5 и 13 на входе усилител  посто нного тока 18 по витс  амплитудно-модулированное напр жение, частота которого , определ етс  частотой коммутационногр генератора 6, а амплитуда огибающей этого напр жени  пропорциональна разности коэффициентов передачи}k , - 218ы соответствующих цепей. Усилитель 19 низкой частоты, настроенный на частоту коммутационного генератора , выдел ет первую гармонику частоты огибающей (фиг. 3 д), котора  после синхронного детектировани  i (фиг. 3 е) подаетс  с выхода синхрона

ного детектора 16 в общую точку детеЬ торов. 14 и 15,. противофазно измен   ; их проводимости (коэффициенты пре- образовани ) и регулиру , таким образом , добротности 1|С -контуров 5

и 13 и коэффициенты передачи указангг ных цепей. При соответствующем выборе фазовых соотношений по цепи коррекции, состо щей из фильтра 17, усипителей 18-19, детектора 16, в

общей точке детекторов 14 и 15 будет устанавливатьс  потенциал, компенсирующий неидентичИость крутизны резонансных характеристик Д(С, -контуров. I .

Внесение объекта 9 измерени 

поле секции 8- измерительного датчика приводит к расстройке nepBoro.LC -KOHf тура 5 и при равенств,е добротностей обоих контуров 5 и 13 - к смещению резонансной .характеристики соответствующего контура- параллельно самой себе без изменени  крутизны ее склона . Поэтому на входе усилител  18 посто нного тока измен етс  лишь посто нна  составл юща  (штрих-пунктирИа  лини  на фиг, 3 г),  вл юща с  результатом суммировани  выпр мленных полуволн гармонического напр жени  противоположных знаков (фиг.З б ив). Далее это напр жение преобразуетс  .в цифровзто форму по описанному алгоритму. Управл ема образцо ва  емкость 11 выполнена так, что ее величина при воздействии на реверсивный шаговый двигатель 26 последовательности 1 1пульсов измен етс  по линейному закону ступен ми фиксированного значени . Регул тор 20 частоты позвол ет повысить быстродействие измерител , не ухудша  переходных процессов при перестройке.второго LC контура 13. Поскольку при большом уровне посто нной составл ющей напр жени  на выходе усилител  18 посто нного тока регул тор частоты независимо от знака этого напр женй  повышает частоту импульсов генератора 23 и, тем самьм, увеличивает 19610 скорость отработки реверсивного шагового двигател  и перестройки второго LC -контура управл емой образцовой емкостью 11, а по мере регулировки этой емкости амплитуда посто нной составл ющей на выходе усилител  18 падает и соответственно под воздействием регул тора частоты уменьшаетс  частота генератора импульсов , что исключает возможность перерегулировани  при подходе измерител  к состо нию равновеси . Таким образом, введение частотной модул ции несзгщей частоты напр жени  высокочастотного генератора, питающее го L С -контуры, позволило осуществить коррекцщо добротности двухканальной части аналогового тракта в процессе измерени  и дало возможность исключить наиболее нестабильные с точки зрени  динамической погрешности звень , каковыми  вл ютс  электромеханические коммутаторы, надежность которых также невысока.

u)

4

I Частота

4i/,e-4C;/

r 80;(

Фиг.г

t

а i

I

4№ 5 fmi-ffirT Tr тгплггпТ ТГ ft Tl irffflf,t

Р1 уидащ,

пли А и ЛПппл Л А М П Annnnn

we.J

сгташи.

Врем 

ишуц

Claims (1)

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ,· содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, LC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненный в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, и отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вывод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора, отличающийся тем, что, с· целью повышения точности измерений малых приращений емкости, в него введены второй LC -контур, образованный второй катушкой индуктивности и измерительным датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки вве- : денного контура соединен с выходом генератора, второй амплитудный детек^и тор, частотный модулятор, выход ко- торого соединен с модулирующим входом высокочастотного генератора, а вход - с выходом коммутационного генератора, последовательно соединенные регулятор частоты и генер'атор: импульсов, два вентиля, входы кото,рых соединены с выходом усилителя g постоянного тока и с входом регулялтора частоты, два ключевых блока, управляющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из венти-. лей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которогосоединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая емкость, подключенная во второй LC контур параллельно его катушке индук·· тивности.и измерительному датчику, и реверсивный счетчик импульсов, выход которого соединен с входом отсчетно-регистрирующега блока, а каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блокоб параллельно одноименным входам реверсивного шагового двигателя, выход которого связан с регулирующим входом управляемой образцовой емкости, причем.один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а другие - соответственно в обратном

   SU п„ 1128196

   Направлениях, при этом входы детекторов соединены с. выводами датчика, а выходы - с входом фильтра нижних частот.

   1 ·