SU1555656A1 - Устройство дл контрол проводимости - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике измерени  проводимости сред и может быть использовано при контроле проводимости плазмы, полупроводников и т.п. Цель изобретени  - расширение области применени  устройства на контроль проводимости плазмы. Объект контрол  помещаетс  в область пол  электромагнитного преобразовател  3, включенного в колебательный контур 2, подпитываемый автогенератором 1. Контролируютс  ток потреблени  автогенератора 1 с помощью шунта 7 и амплитудного детектора 8 и напр жение на колебательном контуре с помощью амплитудного детектора 5. Отношение этих величин, формируемое блоком 9 делени  после обработки с помощью блока 10 вычитани  и компенсаторов 4, 11, пересчитываетс  на основе выражений, выведенных в описании изобретени , в значение проводимости контролируемой среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ел ел ел

с& ел

оэ

Изобретение относитс  к области электромагнитных методов неразрушаго- щего контрол  и может быть использовано дл  контрол  проводимости ди- электрических сред со свободными зар дами: слабоионизованный газ, плазма газового разр да в лазерах, плазмотронах , МГД-генетаторах, а также полупроводниковых материалов.

Цель изобретени  - расширение области применени  устройства путем осуществлени  контрол  проводимости плазмы.

На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства , на фиг. 2 - то же, вариант выполнени ; на фиг. 3 - схема проведени  экспериментов по измерению проводимости плазмы газового разр да , на фиг. 4 - результаты измере- ни  проводимости плазмы по длине разр да.

Устройство дл  контрол  проводимости (фит.1) содержит последовательно соединенные автогенератор 1 с включенным в него параллельным колебательным контуром 2 и электромагнитным преобразователем 3, компенсатор 4, амплитудный детектор 5 и ре- . гистратор 6, при этом колебательный контур подключен к автогенератору через токовый шунт 7, амплитудный детектор 5 подключен к колебательному контуру, имеетс  второй амплитудный детектор 8, подключенный к потен- циометрическому выходу шунта, имеетс  блок 9 делени  с трем  входами Делимое 9.1 , Делитель 9.2 и Масштаб 9.3, и выход Частное, блок 10 вычитани  с входами Уменьшаемое

10.1и Вычитаемое 10.2, выход которого подключен к регистратору, вход

10.2- к компенсатору, вход 10.1 - к выходу блока 9 делени , вход 9.3 которого подключен к второму компенса- тору 11, .вход 9,2 - к выходу первого амплитудного детектора 5, а. вход 9.1к выходу второго амплитудного детектора 8.

Устройство работает следующим об- разом.

При внесении объекта контрол  (ОК) в после электромагнитного преобразовател  3 автогенератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал на чатоте , равной резонансной частоте колебательного контура 2, потери которого возмещаютс  потреблением тока от автогенератора 1. Сигнал, пропор

Q

5

п

5

циональный току потреблени , поступает через токовый шунт 7 на вход амплитудного детектора 8, а на вход детектора 5 поступает сигнал с колебательного контура 2. Сигналы, уровень которых выставл етс  на этапах проверки и калибровки, поступают с компенсаторов 4 и 11 на соответствующие входы блоков делени  9 и вычитани  10. На вход 9.1 блока 9 делени  поступает сигнал с выхода амплитудного детектора 8, а на вход 9.2 - с выхода детектора 5. С выхода блока 9 сигнал поступает на вход 10.1 блока 10 вычитани , а с его выхода - на вход регистратора 6. На этапе измерени  последний регистрирует значение искомой величины удельной электрической проводимости. Этап проверки заключаетс  в выставлении нул  регистратора путем изменени  сигнала с компенсатора 4 при внесенном в поле преобразовател  эталонного ОК, а этап калибровки - в выставлении калибровочного значени  путем изменени  уровн  сигнала на выходе компенсатора 11 при внесении калибровочного ОК.

В вариант выполнени  устройства ( фиг.2) преобразователь 3 представл ет собой трансформатор, первична  обмотка 12 которого включена в колебательный контур 2, а вторична  обмотка J3 цодключена к входу амплитудного детектора 8 и токовый шунт отсутствует. Работает это устройство аналогично.

Если ОК цилиндрической формы, то дл  контрол  его проводимости можно дополнить устройство (фиг.2) задатчи- ком 14 радиуса, выход которого подключаетс  к входу комперсатора П, а преобразователь 3 выполнить индуктивного типа, как описано. Во врем  рабо- ьы ОК помещают в преобразователь по описанному способу, при этом этап калибровки отсутствует, однако измер етс  радиус ОК, и сигнал, пропорциональный радиусу, подаетс  с задат- чика 14 радиуса на вход комперсатора. Работа устройства основана на следующем .

ОК помещают в переменное электро- магнитнбе поле электромагнитного преобразовател  3 в виде катушки индуктивности или электрического конденсатора , включенные в колебательный контур 2 и подколоченные к выходу автогенератора . Проводимость ОК определ по двум измерени м какой-либо трической величины, например добости , до и после внесени  ОК или внесении эталонного ОК, а затем измер емого ОК с помощью следуювыражени  дл  удельной электриой проводимости у :

If Уо + к (Qz - Г,.(О

$0 - проводимость среды в области , куда собираютс  поме- ОК, в случае измере- электрической величины после помещени  ОК в электромагнитного преобразовател  или проводимости эталонного ОК, помещаемого в ту же область, что и измер емый ОК в случае, если электрическа  величина измер етс  при внесении эталонного ОК, а затем уже измер емого OKJ

QJ - добротность датчика (индекс 1 соответствует добротности датчика до, индекс 2 соответствует добротности датч- ка после внесени  ОК) , К - коэффициент и

щать ни , до и поле

К CJ Ј0 U/U,,

(2)

где t0 - электрическа  посто нна ;

U - энерги  пол , запасенна  в электромагнитном преобразователе;

U, - часть энергии пол  U, запасенна  в области, занимаемой ок;

СО - циклическа  частота изменени  синусоидального пол , котора  определ етс  калибровочной путем помещени  калибровочного ОК в ту же область, что и измер емый ОК, В широкой области частот, в которой дл  сосредоточенных контуров с размерами, меньшими длины волны, потери на излучение пренебрежимо малы .

характерно соотношение

,

-50 -

ег

2 СО Јa n

(3)

ее

действительна  часть коэффициента преломлени  мнима  часть коэффициента перломлени 

lЈl - относительна  комплексна  диэлектрическа  проницаемость ОК.

Поскольку рассматриваетс  поле катушки индуктивности, то наличие диссипации энергии пол  эквивалентно дополнительному снижению добротности контура Q:

QV +

Q; +

Q;:

с)

Qc QL - Q, добротность конденсатораJ добротность катушки индуктивности;

добротность, св занна  с дополнительным поглощением энергии пол  в ОК, котора  определ етс  как

О. U U dU/dt

(5)

0

5

0

Уравнение баланса энергии dU

5

dt S -(U S

(6)

5

где Ь - вектор потока электромагнитного пол ,

fu - коэффициент затухани , равный в случае монохроматической волны удвоенному значению мнимой составл ющей волнового числа К. Интегриру  (6) по всей области пол  электромагнитного преобразовател  (vo| распространени  пол  за период изменени  тока катушки индуктивности, учитывают, что К 0 вне области ОК

w- . - ,,

div SdV Ф Sdn 0,

. j. J

так как потери на излучение в сосредоточенном контуре пренебрежимо малы. Тогда, с учетом (5) , (6) и S (с - скорость света)

л-(- -

Ц dV/ J

iw W

(7)

где S, амплитудные значени 

потока и пол  соответственно .

Из (4) и (7) следует напр жение через измер емые величины (1) и (2) дл  у если переобозначить интегралы в квадратных скобках.

В частности, если ОК цилиндрической формы, то с целью сокращени  времени измерений его целесообразно

поместить в центр круговой катушки индуктивности высотой меньше, чем высота ОК, а коэффициент

К 2 Ј„с/И,

где R - радиус ОК;

с - скорость света в вакууме, определ ют путем определени  радиуса ОК с помошью задатчика 14 радиуса.

В этом случае одна или две обмотки электромагнитного преобразовател  3 выполнены в виде соосных круговых катушек индуктивности высотой меньше чем высота ОК.

В основе построени  блок-схемы устройства лежат выражени  (1) и (3) и следующее выражение дл  добротност колебательного контура на резонансной частоте:

Q7 (I2 - I,) - Z/E, (8)

де 1г, I, 25

Е 7 -амплитуды тока, потребл емого колебательным контуром, от автогенератора 1 до и после внесени  ОК, определ емые с помощью амплитудного детектора 8 по сигналу шунта ;

амплитуда напр жени  на колебательном контуре, определ ема  с помощью амплитудного детектора 5J модуль комплексного со- 35 противлени  преобразовател :

30

Z 1/(о-С),

где С - емкость емкостного преобразовател , или

Z CJ- L,

где L - индуктивность преобразовател  в виде катушки индуктивности или индуктивность первичной обмотки преобразовател  в виде трансформатора .

Отношение 1,/Е и I2/E формируетс  блоком 9 делени  по выходным сигналам амплитудных детекторов 8 и 5, разность (1г - Tt)Z/E формируетс  блоком Ю вычитани  с помощью компенсаторов 4 и 11 и индицируетс  на регистраторе 6.

Пример. Провод т измерени  проводимости плазмы тлеющего разр да

5

0

5

5

0

0

5

0

5

в потоке газа He, протекавшего через трубку с внутренним диаметром 18 мм и длиной между катодом и анодом 15 см. Емкость конденсатора

15(фиг.З) колебательного контура

С 279 пФ, а индуктивность катушки

16L 41,5 мкГн при числе витков N 32. Резонансна  частота контура лежит в области 1,48 МГц, и частота автогенератора 17 подстраиваетс  под частоту колебательного контура при каждом измерении. Результаты измерений обрабатываютс  на основе формул (1) и (3) с помощью блока 18, построенного согласно блок-схеме устройства (фиг Л). На фиг. 4 приведены результаты измерений удельной электрической проводимости (точки),

а также результаты расчета (лини  I.I - при токе 40 мА, лини  II.II - при токе 20 мА). Последние выполнены в предположении посто нства отношени  E/N в положительном столбе с учетом катодного падени  и тепловыделени  в разр де. Однако расчет не предполагает условий, привод щих к возникновению темного фарадеев- ского пространства 1, визуально наблюдаемого в прикатодной области при токе 20 мА, но отсутствовавшего при токе 40 мА. В других част х разр да результаты измерени  и расчета хорошо согласуютс  между собой.

Claims (3)

1. Устройство дл  контрол  проводимости , содержажее электромагнитный преобразователь, к входу которого подключены параллельный колебательный контур и выход автогенератора, первый компенсатор, первый амплитудный детектор и регистратор, отличающеес  тем, что, с целью расширени  области применени  устройства путем осуществлени  контрол  проводимости плазмы, в него введены второй амплитудный детектор, второй компенсатор , блок вычитани , блок делени , электромагнитный преобразователь, выполнен в виде трансформатора, первична  обмотка которого соединена с входом электромагнитного преобразовател , вторична  обмотка соединена с выходом электромагнитного преобразовател , который соединен с входом первого амплитудного детектора, параллельный колебательный контур соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам блока делени , третий вход которого соединен с выходом первого компенсатора, выход блока делени  соединен с первым входом блока вычитани , второй вход которого соединен с выходом второго компенсатора, выход блока вычитани  соединен с входом регистратора.

2. Устройстой по п. 1, отличающеес  тем, что электромагнитный преобразователь выполнен в

виде параллельного колебательного контура, между выходом автогенератора и параллельным колебательным контуром включен токовый шунт, потенциальные выводы которого соединены с входом первого амплитудного детектора .

3. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что, с целью уменьшени  времени контрол  объекта контрол  цилиндрической формы, электромагнитный преобразователь имеет высоту, меньшую, чем объект контрол , а к входу второго компенсатора подключен задатчик радиуса объекта контрол .

Фм.З

щ

м-/ч

14 23 П

21 20 19

18 М 16 15

14 73 11

11

10 9

6

Ж

О 1 I Ъ Ч 5 6 7 8 9 Ю 11 11 К Х$н

Фие.Ч

I D-J

а

|I..