SU1679410A1 - Устройство дл кондуктометрических и диэлектрических измерений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  физико-химических исследований, например дл  измерени  параметров влажности, концентрации и т.п. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и точности измерений. Устройство дл  кондук- тометрических и диэлектрических измерений содержит генератор высокой частоты 6, измерительный конденсатор 7, амплитудный детектор 9 и амплитудный модул тор 11. Введение в устройство генератора низкой частоты 1, переключателей 2 и 3, синхронных детекторов 4 и 5, эталонного элемента 8, запоминающего конденсатора 10, частотного детектора 12, усилителей низкой частоты 13 и 14, регистраторов 15 и 16 позвол ет повысить чувствительность и точность измерений за счет исключени  погрешностей, вызываемых дрейфовыми  влени ми. 2 ил.

Description

СО

с

о VI ю

Фиг.1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может использоватьс  дл  физико-химических исследований, например , влажности, концентрации и т.п.

Цель изобретени  - повышение чувст- вительности и точности измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл  кондуктометрических и диэлектрических измерений; на фиг. 2 - принципиальна  схема устройства и систе- мы автоматической стабилизации его режима .

Устройство дл  кондуктометрических и диэлектрических измерений содержит генератор 1 низкой частоты, коммутаторы 2 и 3, два синхронных детектора 4 и 5, генератор 6 высокой частоты, измерительный конденсатор 7, эталонный элемент 8, амплитудный детектор 9, запоминающий конденсатор 10, амплитудный модул тор 11, частотный де- тектор 12, два усилител  13 и 14 низкой частоты, два регистратора 15 и 16.

Кроме того, устройство дл  кондуктометрических и диэлектрических измерений (фиг. 2) содержит вакуумный триод 17, ка- тушку 18 индуктивности, первый конденсатор 19, второй конденсатор 20, первый резистор 21, сопротивление нагрузки 22 катодного повторител , сопротивление нагрузки 23 усилител  напр жени , третий конденса- тор 24, разделительный конденсатор 25, диод 26, второй 27 и третий 28 резисторы , второй конденсатор 29, операционный усилитель 30, потенциометр 31, четвертый резистор 32, п тый резистор 33, первый 34 и второй 35 транзисторы, шестой резистор 36, контрольные выходы устройства 37-42.

Устройство работает следующим образом .

Под действием генератора 1 коммутатор 2 периодически и на равные промежутки времени подключает к колебательному контуру генератора 6 либо измерительный конденсатор 7, либо эталонный элемент 8. В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру .генератора 6 измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает к выходу амплитудного детектора 9 заломи- нающий конденсатор 10 и вход амплитудного модул тора 11. При этом запоминающий конденсатор зар жаетс  и напр жение на нем, а также на входе амплитудного модул тора становитс  равным напр жению на вы- ходе амплитудного детектора, которое, в свою очередь, определ етс  амплитудой колебаний генератора 6. Поскольку модул тор представл ет собой инвертирующий усилитель напр жени 1 а генератор получает напр жение питани  с выхода-модул тора, то при увеличении амплитуды колебаний генератора напр жение питани  генератора уменьшаетс , что приводит к установлению стабильной генерации с малой амплитудой, независимо от величины активной составл ющей сопротивлени  измерительного конденсатора .

Таким образом, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 замыкает цепь обратной св зи , котора  устанавливает такое напр жение питани  генератора, при котором генератор работает с малой амплитудой колебаний , т.е. вблизи порога самовозбуждени  в м гком режиме.

В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора 6 эталонный элемент 8, коммутатор 3 отключает запоминающий конденсатор и вход амплитудного модул тора от выхода амплитудного детектора. При этом цепь обратной св зи, стабилизирующа  амплитуду генератора, разрываетс , но напр жение питани  генератора не измен етс  благодар  тому, что модул тор имеет высокое входное сопротивление и поэтому зар женный запоминающий конденсатор 10 продолжает поддерживать на входе модул тора прежнее напр жение. Поскольку длительность полупериода коммутации невелика, то дрейфовые  влени  не успевают существенно изменить режим работы генератора и он продолжает работать вблизи порога самовозбуждени  в течение всего того полупериода коммутации, когда к колебательному контуру генератора подключен эталонный элемент.

Поскольку во врем  этого полупериода коммутации цепь обратной св зи, стабилизирующа  амплитуду генерации, разомкнута, то в течение этого полупериода коммутации амплитуда генератора зависит от уровн  потерь энергии в колебательном контуре генератора, а следовательно, и от активного сопротивлени  эталонного элемента , Если сопротивление эталонного элемента отличаетс  от сопротивлени  измерительного конденсатора, то, несмотр  на посто нство напр жени  питани , амплитуда генерации при периодическом переключении коммутаторов 2 и 3 будет также периодически измен тьс . При этом переменна  составл юща  напр жени  на выходе амплитудного детектора имеет вид последовательности пр мо- угольных импульсов. Амплитуда этих импульсов пропорциональна разности сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента.

Так как генератор работает в м гком режиме вблизи порога самовозбуждени , то, как известно, при этом амплитуда генерации характеризуетс  наиболее сильной зависимостью от потерь энергии в колебательном контуре, а следовательно, и от активного сопротивлени  эталонного элемента: Теоретически крутизна зависимости амплитуды генерации от активного сопротивлени  в колебательном контуре в этом режиме стремитс  к бесконечности при стремлении амплитуды генерации к нулю . Следовательно, теоретически предлагаемое устройство может иметь бесконечно высокую чувствительность при измерении активного сопротивлени . Практически приходитс  использовать не бесконечно малую , а конечную амплитуду генерации, поэтому чувствительность имеет конечное значение. Таким образом, использование коммутации измерительного конденсатора и эталонного элемента с помощью коммутатора 2, а также применение периодической (с частотой коммутации) коррекции режима генератора с помощью второго коммутатора 3 и запоминающего конденсатора 10 позвол ет существенно повысить чувствительность устройства.

Если различаютс  не только сопротивлени , но и емкости измерительного конденсатора и эталонного элемента, то переключение коммутаторов 2 и 3 будет вызывать периодическое изменение не только амплитуды, но и частоты генератора 6. При этом на выходе частотного детектора 12 по витс  переменное напр жение, имеющее вид последовательности пр моугольных импульсов, амплитуда которых будет пропорциональна разности емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента.

Переменные напр жени  с выхода амплитудного и частотного детекторов поступают на входы усилителей 13 и 14 низкой частоты, а затем на первые входы синхронных детекторов 4 и 5. На вторые входы синхронных детекторов 4 и 5 подаетс  напр жение с генератора 1 низкой частоты. На выходах синхронных детекторов 4 и 5 по вл ютс  посто нные напр жени , величины которых пропорциональны соответственно разности активных сопротивлений емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента . Эти напр жени  поступают на регистраторы 15 и 16.

Методика проведени  измерений с помощью данного устройства состоит в следующем . Устанавливаетс  максимальна  величина сопротивлени  резистора эталонного элемента. При этом сопротивление

эталонного элемента должно быть не менее сопротивлени  измерительного конденсатора . В этом случае генератор 6 должен генерировать в течение обоих полупериодов

коммутации, а показани  обоих регистраторов 15 и 16 будут в общем случае отличны от нул . Затем с помощью переменного конденсатора в эталонном элементе надо сделать нулевыми показани  регистратора 16.

0 Это можно сделать с первой попытки, так как частота генерации не зависит от сопротивлени  колебательного контура. После выполнени  этой операции емкости измерительного конденсатора и эталонного

5 элемента будут равны, и емкость измерительного конденсатора можно определить по шкале переменного конденсатора в эталонном элементе. Затем с помощью переменного резистора в эталонном элементе

0 необходимо сделать нулевыми показани  регистратора 15. Это тоже можно сделать с первой попытки, так как при равенстве емкостей измерительного и эталонного элементов изменение амплитуды колебаний

5 при переключении коммутаторов 2 и 3 вызвано только различием сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента. После выполнени  этой операции активное сопротивление измерительного

0 конденсатора равно активному сопротивлению резистора в эталонном элементе и может быть определено по шкале этого резистора.

Применение коммутатора, поочередно

5 подключающего измерительный конденсатор и эталонный элемент к колебательному контуру генератора, в сочетании с синхронным детектированием позвол ет практически полностью исключить погрешности

0 измерени , обусловленные дрейфом частоты и нестабильностью режима работы генератора , а также медленными изменени ми характеристик как генератора, так и всех других узлов устройства, за исключением

5 коммутаторов 2 и 3.

Это объ сн етс  тем, что отсчет измер емых величин в предлагаемом устройстве делаетс  при нулевых показани х регистраторов , а это условие выполн етс  только при

0 равенстве параметров измерительного конденсатора и эталонного элемента, независимо от медленных изменений параметров всех узлов устройства, за исключением коммутаторов 2 и 3.

5 Устройство позвол ет получить необходимый результат с первой попытки.

Применение коммутатора 3 и запоминающего конденсатора 10 в цепи обратной св зи дл  поддержани  генератора у порога самовозбуждени  позвол ет обеспечить

максимально возможную чувствительность устройства при измерении активных сопротивлений , т.е. при проведении кондуктомет- рических исследований.

Устройство с рабочей частотой около 10 МГц можно реализовать на двойном вакуумном триоде 17 типа 6И15П (фиг. 2). Колебательный контур генератора, состо щий из катушки 18 и конденсатора 19. подключен к левой половине триода 17 через цепь автоматического смещени , состо щую из конденсатора 20 и резистора 21. Лева  половина триода 17 используетс  как катодный повторитель. Напр жение с сопротивлени  нагрузки 22 катодного повторител  поступает на правую половину триода 17, который работает как усилитель напр жени . Напр жение с сопротивени  нагрузки 23 усилител  напр жени  через конденсатор 24 подаетс  на колебательный контур. Тем самым обеспечиваетс  положительна  обратна  св зь, необходима  дл  самовозбуждени  генератора. Через разделительный конденсатор 25 напр жение с катодной нагрузки 22 генераторной лампы подаетс  на амплитудный детектор , собранный на диоде 26. Фильтром детектора  вл етс  цепь из резисторов 27, 28 и конденсатора 29. Напр жение с выхода детектора через коммутатор 3 подаетс  на неинвертирующий вход операционного усилител  30 и запоминающий конденсатор 10. На инвертирующий вход усилител  с потенциометра 31 через резистор 32 подаетс  посто нное напр жение, величина которого, определ ет стабилизируемое значение амплитуды генератора при подключении к его колебательному контуру измерительного конденсатора 7. Измерительный конденсатор 7 и эталонный элемент 8 подключаютс  к колебательному контуру генератора коммутатором 2. В качестве коммутаторов 2 и 3 использовались пол ризованные реле типа РП-5 со сн тым экранирующим кожухом.

Проводники, соедин ющие контакты реле с клеммной колодкой были удалены и контакты реле соедин лись с остальной частью схемы непосредственно. В качестве генератора низкой частоты, управл ющего коммутаторами, можно использовать симметричный мультивибратор с частотой колебаний около 1 Гц.

Резистор 33 совместно с резисторами 32 и 36 определ ют коэффициент передачи операционного усилител . С выхода операционного усилител  сигнал поступает на со- гласующий каскад, собранный на транзисторе 34, и затем на базу транзистора 35, который управл ет величиной анодного напр жени  генератора. Резистор 36  вл етс  коллекторной нагрузкой транзистора 34.

Когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает выход амплитудного детектора 9 к запоминающему конденсатору 10 и неинвертирующему входу усилител  30. При

0 этом замыкаетс  цепь обратной св зи, регулирующа  амплитуду генерации. Если амплитуда генератора так мала, что напр жение на выходе амплитудного детектора меньше напр жени , снимаемого с потенцио5 метра 31 на инвертирующий вход операционного усилител  30, то на выходе операционного усилител  30 напр жение отрицательно, транзистор 34 закрыт, а транзистор 35 максимально открыт за счет

0 тока, текущего в его базу через резистор 36, Поэтому на генераторную лампу подаетс  максимальное анодное напр жение и амплитуда колебаний генератора увеличиваетс . Когда амплитуда колебаний генерато5 ра увеличитс  настолько, что напр жение на выходе амплитудного детектора приблизитс  к напр жению, подаваемому на инвертирующий вход усилител  30 с потенциометра 31, напр жение на выходе

0 операционного усилител  30 начнет увеличиватьс , открыва  транзистор 34. За счет нарастающего коллекторного тока транзистора 34 будет увеличиватьс  падение напр жени  на резисторе 36 и снижатьс 

5 напр жение на базе транзистора 35. Это приведет к снижению анодного напр жени  генератора. В результате этих процессов амплитуда генератора установитс  на таком уровне, которому соответствует приблизи0 тельное равенство напр жений, снимаемых с выхода амплитудного детектора и с потенциометра 31.

Когда коммутатор 2 отключит измерительный конденсатор 7 от колебательного

5 контура генератора и подключит к нему эталонный элемент 8, коммутатор 3 отсоединит запоминающий конденсатор 10 и вход усилител  30 от выхода амплитудного детектора . При этом цепь обратной св зи,

0 стабилизирующа  амплитуду генерации, разорветс , но напр жение питани  анодной цепи генераторной лампы (триода) 17 останетс  прежним, так как напр жение на неинвертирующем входе усилител  30

5 поддерживаетс  на прежнем уровне запо-- минающим конденсатором 10. При этом, если емкость и сопротивление измерительного конденсатора не равны емкости и сопротивлению эталонного элемента, то частота и амплитуда генератора измен тс .

Эти изменени  детектируютс  частотным и амплитудным детекторами и фиксируютс  регистраторами 15 и 16.

Минимальное относительное отклонение

(:

ТГ

сопротивлени  (-РГ) измеА

рительного конденсатора от емкости и сопротивлени  эталонного элемента, которые можно зарегистрировать, составл ют соответственно (

Г л

«10

i-6f

AR

9,

«10

г5

С пин д р пин что приблизительно на два пор дка лучше предельных характеристик, которые можно получить с тем же самым генератором без использовани  коммутаторов 2 и 3. Принудительное изменение частоты генератора с помощью ферритового сердечника , вводимого в катушку 18, изменение величины амплитуды генерации с помощью потенциометра 31, а также изменение коэффициентов передачи усилителей 13 и 14 низкой частоты не вли ют на результаты измерений. Это подтверждает, что использование коммутаторов 2 и 3 в сочетании с синхронным детектированием позвол ет устранить обусловленные дрейфовыми  влени ми погрешности измерений и обеспечить более высокую чувствительность устройства.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  кондуктометрических и диэлектрических измерений,.содержащее генератор высокой частоты, первый выход

   38Фиг. 2

   Составитель В. Чеботова

   Редактор Н. Тупица

   Техред М.Моргентал

   Заказ 3211ТиражПодписное

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5

   которого соединен с входом амплитудного детектора, второй выход генератора высокой частоты соединен с входом амплитудного модул тора, измерительный конденсатор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  чувствительности и точности измерений, в него введены эталонный элемент, два коммутатора, генератор низкой частоты, запоминающий конденсатор,

   10 частотный детектор, первый и второй усилители низкой частоты, первый и второй синхронные детекторы, первый и второй регистры, входы которых подсоединены соответственно к выходам первого и второго

   15 синхронных детекторов, управл ющие входы которых объединены и соединены с выходом генератора низкой частоты и управл ющими входами первого и второго коммутаторов, эталонный элемент и изме20 рительный конденсатор через первый коммутатор соединены с генератором высокой частоты, первый выход которого соединен с входом частотного детектора, выход амплитудного модул тора соединен

   25 с запоминающим конденсатором, через второй коммутатор - с выходом амплитудного детектора и первым усилителем низкой частоты, выход которого соединен с входом первого синхронного детектора, выход час30 тотного детектора соединен с входом второго усилител  низкой частоты, выход которого соединен с входом второго синхронного детектора.

   Корректор Т. Палий