SU1195288A1 - Dielectric characteristics meter - Google Patents

Dielectric characteristics meter Download PDF

Info

Publication number
SU1195288A1
SU1195288A1 SU843737526A SU3737526A SU1195288A1 SU 1195288 A1 SU1195288 A1 SU 1195288A1 SU 843737526 A SU843737526 A SU 843737526A SU 3737526 A SU3737526 A SU 3737526A SU 1195288 A1 SU1195288 A1 SU 1195288A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
capacitance
frequency
controlled
resistance
measuring
Prior art date
Application number
SU843737526A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Viktor I Zotov
Imant G Matis
Andris Ya Taurinsh
Original Assignee
Sp K Byuro Nauch Priborostr
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sp K Byuro Nauch Priborostr filed Critical Sp K Byuro Nauch Priborostr
Priority to SU843737526A priority Critical patent/SU1195288A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1195288A1 publication Critical patent/SU1195288A1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Description

Изобретение относится к измерителям неэлектрических величин электрическими методами и может быть применено при измерении диэлектрических характеристик материалов. 5The invention relates to measuring non-electric values by electrical methods and can be applied when measuring the dielectric characteristics of materials. five

Цель изобретения - повышение точности измерения диэлектрических характеристик и расширение диапазона измерений.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement of dielectric characteristics and the expansion of the measurement range.

На фиг..1 представлена структурная схема измерителя диэлектрических характеристик; на фиг. 2 - эквиваг лентная схема резонансного измерительного двухполюсника с первичным р измерительным преобразователем; на фиг. 3 -блок-схема блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ); на фиГ. 4 - обобщенная фазовая характеристика КЗ-триггера.Fig. 1 shows the block diagram of the dielectric characteristics meter; in fig. 2 is an equivalent circuit of a resonant measuring two-pole device with a primary p measuring transducer; in fig. 3 is a block diagram of a phase locked loop (PLL) unit; on fig 4 - generalized phase response of a short-circuit trigger.

Измеритель диэлектрических характеристик содержит резонансный измерительный двухполюсник 1, первичный измерительный преобразователь 2, выполненный в виде двухэлектродного 25 накладного конденсатора, управляемую емкость 3 и эквивалент управляемой емкости 4, которые представляют две группы варикапов, общие точки которых соединены между собой, управляемое сопротивление 5 и эквивалент управляемого сопротивления 6, которые представляют собой полевые транзисторы, линейный усилитель 7, элементMeasuring dielectric characteristics contains a resonant measuring two-terminal 1, primary measuring transducer 2, made in the form of a two-electrode 25 surface-mounted capacitor, controlled capacitance 3 and the equivalent of controlled capacitance 4, which represent two groups of varicaps, common points of which are interconnected, controlled resistance 5 and equivalent controlled resistances 6, which are field-effect transistors, a linear amplifier 7, element

8 положительной обратной связи, блок $8 positive feedback, block $

9 стабилизации амплитуды, блок 10 фазовой автоподстройки частота, генератор 11 опорной частоты, преобразователь 12 "емкость-частота", преобразователь 13 "сопротивление-частота", измеритель 14 диэлектрической проницаемости и измеритель 15 тангенса угла диэлектрических потерь.9 amplitude stabilization unit 10 phase-locked loop frequency, reference frequency generator 11, capacitor-frequency converter 12, resistance-frequency converter 13, dielectric constant meter 14 and dielectric loss tangent meter 15.

Причем элемент 8 положительной обратной связи включен между входом и выходом усилителя 7, выход которого соединен с входом блока 9 стабилизации, выход которого соединен с управляемыми сопротивлениями 5, 6. Два входа блока 10 фазовой автоподстрой- & ки частоты (ФАПЧ) соединены с выходами усилителя 7 и генератора 11 опорной частоты, а входы измерителя 15 соединены с выходами преобразователей 12 и 13. 55Moreover, the positive feedback element 8 is connected between the input and output of the amplifier 7, the output of which is connected to the input of the stabilization unit 9, the output of which is connected to the controlled resistances 5, 6. The two inputs of the phase locked loop 10 (PLL) are connected to the outputs of the amplifier 7 and the reference frequency generator 11, and the inputs of the meter 15 are connected to the outputs of the converters 12 and 13. 55

Резонансный измерительный двухполюсник 1 с первичным измерительным преобразователем 2, линейный усилитель 7 с элементом 8 положительнойResonant measuring two-terminal 1 with primary measuring converter 2, linear amplifier 7 with element 8 positive

обратной связи, блок 9 стабилизации амплитуды и управляемое сопротивление 5 образуют автогенератор, амплитуда колебаний которого стабилизируется путем шунтирования резонансного измерительного двухполюсника 1 управляемым сопротивлением 5.feedback, the amplitude stabilization unit 9 and the controlled resistance 5 form an oscillator, the oscillation amplitude of which is stabilized by shunting the resonant measuring two-terminal 1 controlled by the resistance 5.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Первичный измерительный преобразователь 2 помещается на исследуемый образец, что приводит к изменению емкости и проводимости преобразователя.The primary transducer 2 is placed on the sample under study, which leads to a change in the capacitance and conductivity of the transducer.

Изменение проводимости первичного измерительного преобразователя 2 вызывает изменение проводимости управляемого сопротивления 5 и соответственно эквивалента управляемого сопротивления 6 на одну и ту же величину. Изменение проводимости'‘эквивалента управляемого сопротивления 6 приводит к соответствующему изменению выходного сигнала преобразователя 13 "сопротивление-частота". Изменение периода колебаний выходного сигнала преобразователя 13 "сопротивление-частота" прямо пропорционально изменению проводимости первичного измерительного преобразователя 2.A change in the conductivity of the primary measuring transducer 2 causes a change in the conductivity of the controlled resistance 5 and, accordingly, the equivalent of the controlled resistance 6 by the same value. A change in the conductivity ‘of the equivalent of controlled resistance 6 leads to a corresponding change in the output signal of the resistance-frequency converter 13. The change in the oscillation period of the output signal of the resistance-frequency converter 13 is directly proportional to the change in the conductivity of the primary transducer 2.

При изменении емкости первичного измерительного преобразователя 2 происходит изменение величины управляемой емкости 3 и емкости эквивалента управляемой емкости 4 на одну и ту же величину. Изменение емкости·эквивалента управляемой емкости 4 приводит к соответствующему изменению выходного сигнала преобразователя 12 "емкость-частота".When the capacitance of the primary measuring transducer 2 changes, the magnitude of the controlled capacitance 3 and the capacitance of the equivalent controlled capacitance 4 change by the same value. Changing the capacitance · equivalent to the controlled capacitance 4 leads to a corresponding change in the output signal of the converter 12 "capacitance-frequency".

Изменение периода колебаний выходного сигнала преобразователя 12 "емкость-частота" прямо пропорционально изменению емкости первичного измерительного преобразователя 2.,The change in the oscillation period of the output signal of the converter 12 "capacitance-frequency" is directly proportional to the change in the capacitance of the primary measuring transducer 2.,

Сигнал с выхода преобразователя 12 "емкость-частота" подается на вход измерителя 14 диэлектрической проницаемости^ который регистрирует изменение периода колебаний преобразователя 12 "емкость-частота" в единицах диэлектрической проницаемости.The signal from the output of the converter 12 "capacitance-frequency" is fed to the input of the gauge 14 of the dielectric constant ^ which records the change of the oscillation period of the converter 12 "capacitance-frequency" in units of dielectric constant.

Сигналы с выходов преобразователяTransmitter Outputs

12 "емкость- частота" и преобразователя 13 "сопротивление-частота" подаются на входы измерителя 15 тан312 "capacitance-frequency" and the converter 13 "resistance-frequency" are fed to the inputs of the meter 15 tan3

11952881195288

4four

генса угла диэлектрических потерь, ' который регистрирует отношение поданных на него сигналов в единицах тангенса угла диэлектрических потерь.of the dielectric loss angle, which records the ratio of the signals fed to it in terms of the dielectric loss tangent.

Автогенератор, образуемый резонан- 5 сным измерительным двухполюсником 1, первичным измерительным преобразователем 2, линейным усилителем 7 с -элементом 8 положительной обратной связи, блоком 9 стабилизации амплитуды Ю и управляемым сопротивлением 5, пустей шунтирования резонансного измерительного двухполюсника 1 управляемым сопротивлением 5 поддерживает постоянную амплитуду сигнала на резонанс- 15 ном измерительном двухполюснике 1 и на первичном измерительном преобразователе 2.The autogenerator formed by a resonant measuring two-pole 1, primary measuring transducer 2, a linear amplifier 7 with a positive feedback element 8, an amplitude stabilization unit 9 Yu and a controlled resistance of 5, shunting resonant measuring dipole 1 controlled resistance 5 maintains a constant signal amplitude on the resonant measuring dipole 1 and on the primary measuring transducer 2.

Блок- 10 фазовой автоподстройки 20 частоты и генератор 11 опорной час-, тоты поддерживают постоянную частоту автогенератора.The block-10 phase-locked loop frequency 20 and the reference frequency generator 11, tots maintain a constant frequency of the oscillator.

Полная проводимость резонансного измерительного двухполюсника с пер- 25 вичным измерительным преобразовате1 лем согласно эквивалентной схемы (см. фиг. 2) определяется следующим выражением: (1)The total conductivity of a resonant measuring two-pole device with a primary measuring transducer 1 Leu according to the equivalent circuit (see Fig. 2) is defined by the following expression: (1)

* 1 1 г γίΤ* 1 1 g γίΤ

X (ω) где - сопротивление потерь первичного измерительного преобразователя; 35X (ω) where - loss resistance of the primary measuring transducer; 35

К - сопротивление параллельных потерь резонансного измерительного двухполюсника;K - resistance of parallel losses of the resonant measuring two-port;

Сх - емкость первичного измерительного преобразователя; 40С х - capacity of the primary measuring converter; 40

С — емкость резонансного измерительного двухполюсника;C is the capacitance of the resonant measuring two-pole;

об - индуктивность резонансного ’ измерительного двухполюсника; 45σ is the inductance of the resonant ’measuring dipole; 45

п - сопротивление последовательных потерь резонансного измерительного двухполюсника в индуктивной ветви;n is the resistance of consecutive losses of the resonant measuring two-pole in the inductive branch;

ω - рабочая частота.ω - working frequency.

В зависимости от материала изменяется сопротивление Кх и емкость ϋχ первичного измерительного преобразователя.Depending on the material, the resistance K x and the capacitance ϋχ of the primary transducer change.

В прототипе на резонансный измери- 55 тельный двухполюсник подается амплитудно-модулированный сигнал и на?· ! стройка·резонансного измерительного двухполюсника проводится так, чтобыIn the prototype, an amplitude-modulated signal is fed to the resonant measuring two-terminal and to the? ·! the construction of the resonant measuring two-pole is carried out so that

амплитуды обеих боковых частот были одинаковыми. Значит модули полной < проводимости резонансного измерительного двухполюсника на обеих боковых частотах будут одинаковыми.the amplitudes of the two side frequencies were the same. This means that the moduli of the full conductivity of the resonant measuring two-pole device will be the same at both side frequencies.

Из выражения (1) видно, что вещественная часть полной проводимости зависит от частоты, т.е. вещественная часть полной проводимости на обеих боковых частотах будет разной.From expression (1) it can be seen that the real part of the total conductivity depends on the frequency, i.e. the real part of the total conductivity at both side frequencies will be different.

Но так как модули полной проводимости равны, следует, что мнимые части полной проводимости на обеих боковых частотах по величине будут разные. Следовательно, резонансный измерительный двухполюсник не будет точно настроен в резонанс, что вызывает неточность определения диэлектрической проницаемости.But since the modules of full conductivity are equal, it follows that the imaginary parts of the total conductivity on both side frequencies will be different in magnitude. Consequently, the resonant measuring bipolar will not be precisely tuned to resonance, which causes inaccuracy in determining the dielectric constant.

I Погрешность определения диэлектрической проницаемости зависит от сопротивления потерь первичного измерительного преобразователя и от сопро- ·. тивления последовательных потерь резонансного измерительного двухполюсника й индуктивной ветви, следовательноI The error in determining the dielectric constant depends on the loss resistance of the primary measuring transducer and on the resistance. successive losses of the resonant measuring two-pole and inductive branch, therefore

Сх + С сопзФ (2)C x + C const (2)

В предложенном измерителе диэлектрических характеристик с помощью введенных блока фазовой автоподстройки частоты и генератора опорной частоты поддерживается постоянная частота автогенератора. А также, исходя из того, что изменение емкости Сх первичного измерительного преобразователя компенсируется изменением емкости С резонансного измерительного двухполюсника на такую же величину, а изменение проводимости 1/Ех компенсируется изменением проводимости 1/Н на такую же величину, получают выражения:In the proposed dielectric characteristics meter using the input of the phase-locked loop and the reference frequency generator, the constant frequency of the oscillator is maintained. And also, based on the fact that the change in capacitance C x of the primary transducer is compensated by changing the capacitance C of the resonant measuring bipolar by the same value, and the change in conductivity 1 / E x is compensated by changing conductivity 1 / H by the same value, we get:

Сх + С = сопзФC x + C = const

V δ = сопзЪ V δ = const

(3)(3)

(4)(four)

Следовательно, заявляемый измеритель не имеет методической погрешности, связанной с зависимостью резонансной частоты от активного сопротивления контура и зависимостью добротности от величины емкости.Therefore, the inventive meter does not have a methodological error associated with the dependence of the resonant frequency on the active resistance of the circuit and the dependence of the quality factor on the capacitance.

Блок 10 фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) состоит из следующих функциональных узлов (см. фиг. 3): управляемая емкость (варикап) 16, автогенератор 17, компаратор 18,Block 10 phase-locked loop (PLL) consists of the following functional units (see. Fig. 3): controlled capacity (varicap) 16, the oscillator 17, the comparator 18,

5 1195288 65 1195288 6

триггер 19, КЗ-триггер (фазовый детектор) 20, одновибратор 21, одновибратор 22, элемент ИЛИ 23, интегрирующее звено 24 с коррекцией.trigger 19, KZ-trigger (phase detector) 20, one-shot 21, one-shot 22, element OR 23, integrating link 24 with correction.

Сравнение частот сигналов автоге- 5 нератора и генератора опорной частоты происходит в фазовом детекторе, который’ построен на КЗ-триггере 20.A comparison of the frequencies of the auto-oscillator signals and the reference frequency generator occurs in the phase detector, which is built on a short-circuit trigger 20.

Сигнал генератора опорной частоты через одновибратор 21 подается на вход 3 триггера 20, а сигнал автогенератора через компаратор 18, триггер (делитель частоты) 19 и одновибратор 22 подается на вход К того же триггера 20. На выходе фазового детектора Подучают сигнал, среднее значение которого пропорционально интегралу разности сравниваемых частот. С фазового детектора сигнал пос-20 тупает на интегрирующее звено 24 с коррекцией, состоящее из двух источников 25 и 26 тока, двух ключей 27 и 28, интегрирующего конденсатора 29 ,и корректирующей цепочки из конденсатора 30 и резистора 31. На выходе этого звена получаем управляющее напряжение, среднее значение которого пропорционально двойному интегралу разности сравниваемых частот . Это напряжение через управляемую емкость (варикап) 16 воздействует на частоту автогенератора 17, приближая ее к двойной частоте сигнала генератора опорной частоты. При =±2ΐη, (где 35 η - 0, 1, 2.,..) детектор 20 имеетThe signal of the reference frequency generator through the one-shot 21 is fed to the input 3 of the trigger 20, and the signal of the oscillator through the comparator 18, the trigger (frequency divider) 19 and the one-shot 22 is fed to the input to the same trigger 20. The output of the phase detector produces a signal whose average value is proportional to integral of the difference of compared frequencies. From the phase detector, the signal pos-20 stumbles on the integrating link 24 with correction, consisting of two current sources 25 and 26, two switches 27 and 28, an integrating capacitor 29, and a correction chain from the capacitor 30 and resistor 31. At the output of this link, we obtain the control voltage, the average value of which is proportional to the double integral of the difference of compared frequencies. This voltage through a controlled capacitance (varicap) 16 affects the frequency of the oscillator 17, bringing it closer to the double frequency of the signal of the reference frequency generator. At = ± 2ΐη, (where 35 η is 0, 1, 2., ..) detector 20 has

неопределенное состояние. Для исключения неопределенности при переходе сигнала фазового детектора через ноль служит блок совпадения 23 (элемент ИЛИ), который выделяет эти точки и изменяет в них скачком фазу сиг* нала автогенератора 17 на 180°(триггер 19), обеспечивая переход на середину следующего плавного участка характеристики. Момент скачка через точку неопределенности определяется длительностью импульсов одновибраторов 21, 22. Процесс входа системы ФАПЧ в режим удерживания отображен на фазовой характеристике детектора стрелками (см. фиг. 4). Он состоит в чередовании плавного перемещения к началу координат по наклонным участкам и скачкообразного перехода через точки неопределенности. В установившемся режиме на входы фазового детектора 20 подаются сигналы, сдвинутые по фазе на 180° (а в случае идентичности источников 25 и 26 тока и отсутствия токов утечки в конденсаторах 29 и 30, стоящих после фазового детектора). Использование системы ФАПЧ второго порядка обуславливает необходимость введения коррекции характеристики интегрирующего звена. Оно выполнено на конденсаторе 30 и резисторе 31, которые замедляют вращение фазы ИЗК на высших частотах в полосе единичного усиления системы, создавая запас устойчивости по фазе.indefinite state. To eliminate uncertainty when a phase detector passes the signal through zero, a coincidence block 23 (element OR) selects these points and changes the phase of the oscillator 17 of the generator 17 by 180 ° (trigger 19) in jumps, providing a transition to the middle of the next smooth section of the characteristic . The moment of the jump through the point of uncertainty is determined by the duration of the pulses of one-shot 21, 22. The process of entering the PLL into the hold mode is displayed on the phase response of the detector by arrows (see Fig. 4). It consists in the alternation of a smooth movement to the origin of coordinates along inclined sections and an abrupt transition through points of uncertainty. In the steady state, the inputs of phase detector 20 are fed 180 ° phase-shifted signals (and if the current sources 25 and 26 are identical and there are no leakage currents in capacitors 29 and 30 after the phase detector). The use of second-order PLLs necessitates the introduction of a correction for the characteristics of the integrator. It is made on the capacitor 30 and the resistor 31, which slow down the rotation of the phase of the IZK at higher frequencies in the unit gain band of the system, creating a margin of stability in phase.

-М2-M2

I,I,

1515

11952881195288

ФигЗFigz

Фиг АFIG A

Claims (1)

ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, содержащий резонансный измерительный двухполюсник, первичный измерительный преобразователь,' управляемую емкость, измеритель тангенса угла диэлектрических потерь, эквивалент управляемой емкости, преобразователь емкость - частота и измеритель диэлектрической проницаемости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений диэлектрических величин и расширения диапазона измерений, в него введены линейный усилитель с элементом положительной обратной связи, блок стабилизации амплитуды, управляемое сопротивление, эквивалент управляемого сопротивления, блок фазовой автоподстройки частоты, опорный генератор и преобразователь сопротивление - частота, причем входы линейного усилителя с элементом положительной обратной связи и управляемого сопротивления подключены к выводам резонансного измерительного двухполюсника, первичного- измерительного преобразователя и управляемой емкости, выход линейного усилителя соединен с входом блока стабилизации амплитуды и с одним из входов блока фазовой автоподстройки частоты, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, выход блока фазовой автоподстройки частоты соедия. йен с общими точками управляемой емкости и эквивалента управляемой емкости, выход блока стабилизации амплитуды соединен с управляемым сопротивлением и эквивалентом управляемого сопротивления, который соединен также с преобразователем сопротивление частота,'выход которого соединен с одним из входов измерителя тангенса угла диэлектрических потерь, а второй его вход соединен с выходом преобразователя емкость - частота и входом измерителя диэлектрической проницаемости, вход преобразователя емкость - частота соединен с эквивалентом управляемой емкости.DIELECTRIC CHARACTERISTICS MEASURER, containing a resonant measuring two-pole, primary measuring transducer, controlled capacitance, dielectric loss tangent meter, equivalent of controlled capacitance, capacitance-frequency transducer and measuring dielectric permittivity, characterized in that, in order to improve the accuracy of dielectric measurements and expansion, measurement range, a linear amplifier with a positive feedback element is introduced into it, the amplitude stabilization unit dy controlled resistance equivalent managed resistance unit phase-locked loop, the reference generator and transducer impedance - frequency, and inputs a linear amplifier with an element of positive feedback and controlled resistance connected to the terminals of the resonance measuring two-terminal network, the primary - the transmitter and controllable capacitance, yield linear amplifier is connected to the input of the amplitude stabilization unit and with one of the inputs of the phase locked loop, in Ora input coupled to an output of the reference generator block output PLL Cpd. Yen with common points of controlled capacity and equivalent managed capacity, the output of the amplitude stabilization unit is connected to a controlled resistance and equivalent controlled resistance, which is also connected to the converter resistance frequency, the output of which is connected to one of the inputs of the dielectric loss tangent meter, and its second input connected to the output of the converter capacitance - frequency and the input of the dielectric constant meter, the input of the converter capacitance - frequency connected to the equivalent of control Avaya capacity. 1 "1195288 ’ 21 "1195288’ 2
SU843737526A 1984-05-08 1984-05-08 Dielectric characteristics meter SU1195288A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843737526A SU1195288A1 (en) 1984-05-08 1984-05-08 Dielectric characteristics meter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843737526A SU1195288A1 (en) 1984-05-08 1984-05-08 Dielectric characteristics meter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1195288A1 true SU1195288A1 (en) 1985-11-30

Family

ID=21117745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU843737526A SU1195288A1 (en) 1984-05-08 1984-05-08 Dielectric characteristics meter

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1195288A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4045728A (en) Direct reading inductance meter
US5150062A (en) Electrostatic capacitance sensing circuit
SU1195288A1 (en) Dielectric characteristics meter
US3845385A (en) Circuit arrangement for converting a bridge unbalance into a frequency variation
US4419623A (en) Reactance meter
JPS57163873A (en) Measuring device for electrostatic capacity
US4136313A (en) Apparatus for measuring q-quality of oscillatory circuit components
SU798634A1 (en) Dielectric humidity meter
US4528498A (en) Frequency compensating current circuit for a current comparator capacitance bridge
SU883797A1 (en) Loop resonance frequency and quality factor meter
US4063150A (en) Resonance thermometer
SU1420564A1 (en) Phase-generating meter of magnetic susceptibility
RU1774244C (en) Moisture meter
SU938118A1 (en) Device for measuring conductive material dielectric permeability
SU1126897A1 (en) Device for measuring tuned circuit quality factor
SU402836A1 (en) DEVICE FOR DETERMINATION OF PARAMETERS OF BARRIER CAPACITIES OF RR TRANSITIONS
SU769419A1 (en) Conductometer
SU1120231A1 (en) Moisture metering unit
SU756316A1 (en) Dielectric characteristic measuring device
SU1128196A1 (en) Dielectric parameter meter
SU1402907A1 (en) Variable-capacitance moisture converter
SU425096A1 (en) DEVICE FOR MEASUREMENT OF DIELECTRIC PERMITTIVITY OF SUBSTANCES
SU462146A1 (en) Device for measuring active resistance of quartz resonators
SU748286A1 (en) All-purpose meter of capacitance and conductivity of capacitors, inductance and resistance of inductance coil
US3548298A (en) Transistorized nuclear magnetic resonance gaussmeter