SU756316A1 - Устройство для измерения диэлектрических характеристик веществ1 - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство может быть использовано для контроля диэлектрических параметров жидких и 5 твердых веществ.

Известны резонансные диэлькометры, в которых ячейка и градуированный конденсатор переменной емкости включены в задающий ЬС-контур генератора, причем в этот же контур включен шунтирующий диод с источником опорного напряжения [ΐ]. В процессе измерения при пустой ячейке устанавливается начальный ток диода и отмечается частота генератора. Изменение емкости ячейки пос-ле введения в нее образца определяется по шкале градуированного конденсатора, уменьшением емкости которого восста- 2д навливается прежняя частота генератора. Проводимость, эквивалентная потерям в исследуемом образце, отсчитывается по шкале измерителя тока, протекающего через шунтирующий диод. 25 Теоретически изменение тока, протекающего через диод, пропорционально измеряемой проводимости, но на практике эта зависимость не реализуется, так как характеристика дио’

2

да отличается от идеальной, а внутреннее сопротивление источника опорно го напряжения и входное сопротивление измерителя тока отличны от нуля.

Это является одним из недостатков подобного устройства, так как в этом случае градуировочная характеристика нелинейна и должна строиться по образцовым проводимостям. Недостатком является также и то, что при измерении проводимостей в широком диапазоне опорное напряжение необходимо регулировать в широких пределах. При этом значительно изменяются амплитуда колебаний на измерительном контуре и ток через диод. Кроме того, генераторным методам в принципе присуща погрешность измерения диэлектрической проницаемости при наличии потерь в исследуемом образце.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому диэлькометру является диэлькометр, содержащий питающий генератор, катушку индуктивное ти, вспомогательный конденсатор, пере ключатель, градуированный измерительный конденсатор, емкостную ячейку, детектор, устройство управления настройкой измерительного ЬС -конту756316

ра в резонанс, потенциометрический компенсационный вольтметр [2}.

Недостатками такого диэлькометра являются нелинейность его выходной характеристики по измеряемой резистивной проводимости и отсутствие _

автоматической коррекции нуля канала ³

измерения проводимости, что снижает точность диэлькометра, особенно при исследовании образцов с малыми потерями.

Целью изобретения является повышение точности при линеаризации выходной характеристики диэлькометра по измеряемой резистивной проводи|мости, эквивалентной потерям в исследуемом образце. 15

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения диэлектрических характеристик веществ, содержащее емкостную ячейку и градуированный . измерительный конденсатор, 20 связанные через переключатель с. измерительным контуром, состоящим.из катушки индуктивности и вспомогательного конденсатора переменной емкости, питающий генератор, амплитудный детек-25 тор и блок, управляющий настройкой измерительного контура в резонанс,введены блок вычисления отношения двух напряжений и последовательно соединенные ключ, блок памяти и вычитатель, причем первые входы вычи.тателя и блока вычисления отношения двух напряжений соединены с

выходом амплитудного детектора, который через ключ соединен с входом блока памяти, выходом соединенного с 35 вторым входом вычитателя, а выход вычитателя соединен с вторым входом блока вычисления отношения двух напряжений, при этом управляющие входы переключателя и ключа связаны с выхо- 40 дом блока, управляющего настройкой измерительного контура в-резонанс.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого диэлькометра (анализатора диэлектрических характеристик).

Устройство содержит питающий генератор 1, измерительный ЕС-контур, образованный катушкой индуктивности 2 и вспомогательным конденсатором 3 переменной емкости, переключатель А, __ попеременно включающий в измерительный ЕС -контур градуированный измерительный конденсатор 5 и емкостную ячейку 6, амплитудный детектор 7, блок 8, управляющий настройкой измерительного ЕС-контура в резонанс, 55 связанный с выходом амплитудного детектора и переключателем 4, блок вычисления отношения двух напряжений 9, ключ 10, работающий' синхронно с переключателем 4, блок памяти 11 и вычитатедь 12, Выход амплитудного детектора 7 соединен непосредственно с первыми входами вычитателя и блока вычисления отношения двух напряже- г/ ний, а через ключ с входом блока

памяти, выход которого связан с вторым входом вычитателя. При этом выход вычитателя связан с вторым вхо дом блока вычисления отношения двух напряжений, управляющие входы переключателя и ключа связаны с одним и тем же выходом блока 8, управляющего настройкой измерительного ЕС контура в резонанс. Синхронной работой переключателя и ключа управляет блок 8.

Устройство работает следующим образом.

Контур настраивается в резонанс при подключенной ячейке вспомогатель ным конденсатором 3', а при отключенной ячейке градуированным измерительным конденсатором 5, замещающим емкость ячейки. Настройкой контура в резонанс по сигналу с амплитудного детектора' 7 управляет блок 8. При подключенном к контуру градуированном измерительном конденсаторе ключ 10 замыкает выход амплитудного детектора с входом блока памяти 11.

В это время блок памяти фиксирует напряжение, равное амплитуде колебаний на контуре при отсутствии потерь, вносимых исследуемым диэлектриком, и₀-А₀Ё,

где А о - модуль коэффициента передачи, определяемый параметрами измерительной схемы,

ра. .

Е- ЭДС генерато1^Ко I

ί²-/ ²ко1

где 2_КО - полное сопротивление конту ра при пустой ячейке или при подключенном замещающем ячейку градуированном измерительном конденсаторе,

2 · - внутреннее сопротивление

генератора.

При подключенной к контуру ячей-, ке, 'заполненной исследуемым образцом, амплитуда колебаний на контуре определяется уравнением

где Αχ - модуль коэффициента передачи,, определяемый параметрами измерительной схемы, с учетом потерь, вносимых исследуемым образцом.

1 V

где 2к - полное сопротивление измерительного, контура, являющееся функцией потерь в исследуемом образце · .

Напряжение. И_о с выхода блока памяти. .11 и Οχ непосредственно с детектора 7 поступают на входы вычитателя 12. С его выхода разность напряжений Е)_о-Οχ поступает на один вход блока вычисления отношения двух напряжений 9, на другой вход которого поступает напряжение Οχ . Таким образом, на выходе блока вы5

756316

6

числения отношения двух напряжений имеется сигнал, пропорциональный отклонению напряжений

^о~ I* х

и*

При коэффициенте усиления блока 9, равном 0_о , имеют на его выходе напряжение, численно равное измеряемой проводимости, эквивалентной потерям в исследуемом диэлектрике.

Помимо повышения точности за счет линеаризации выходной характеристики по измеряемой резистивной проводимости предлагаемое устройство позволяет исключить аддитивную составляющую погрешности измерения, обусловленную наличием остаточных параметров элементов контура, изменением во времени амплитуды ЭДС питаю· щего генератора или изменением коэффициента передачи измерительной схемы, обусловленным временными и температурными нестабильностями ее элементов .

Для понимания того, каким образом в предлагаемом устройстве исключается влияние остаточных параметров на точность измерения резистивной проводимости, эквивалентной потерям в исследуемом образце, на фиг. 2 показана эквивалентная схема измерительного контура с учетом остаточных параметров, где К, , Ь_э - сопротивление и индуктивность подводящих проводов к вспомогательному конденсатору 3 переменной емкости, К₅,

Iβ - остаточные параметры измерительного конденсатора 5, - остаточные параметры ячейки 6.

С целью минимизации погрешности измерения £ от остаточных параметров добиваются их равенства Ь =

пут.ем симметрирования ветвей, подключающих к измерительному контуру ячейку и градуированный измерительный конденсатор.

При пустой ячейке коэффициент передачи измерительной схемы определяет ся эквивалентной проводимостью пропорциональной потерям энергии в элементах контура. Эквивалентная проводимость является суммой эквивалент'ных проводимостей каждого из элементов контура, - в том числе вспомогатель ного конденсатора 3 (^) и ячейки 6 ( ) или измерительного градуированного конденсатора 5 ( £" ) . Их

эквивалентную проводимость с учетом остаточных параметров можно выразить следующим образом:

____ц/^гс?я\- ,

и? ’

где ι - 3,5 и 6, откуда видно, что эквивалентная проводимость является

функцией емкости каждого из названных конденсаторов.

Следовательно, если в ячейку вводится образец диэлектрика, даже не имеющий потери, эквивалентная проводимость настроенного в резонанс контура £_о и коэффициент передачи А_о изменяются из-за перераспределения емкостей между вспомогательным конденсатором переменной емкости и ячейкой или измерительным конденсатором. Изменяется и амплитуда напряжения на контуре. Если не учитывать это изменение, то в результат измерений проводимости, эквивалентной потерям в образце, вносится большая погрешность, особенно при исследовании образцов с малыми потерями. При условии К^-К_ь7К₃с увеличением емкости ячейки или 'измерительного конденсатора, замещающего ячейку, амплитуда напряжения на контуре уменьшается.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Устройство для измерения диэлектрических характеристик веществ,содер- . жащее емкостную ячейку и градуированный измерительный конденсатор, связанные через переключатель с измерительным контуром, состоящим из катушки индуктивности и вспомогательного конденсатора переменной емкости, питающий генератор, амплитудный детектор и блок, управляющий настройкой измерительного контура в резонанс, отличающееся тем, что с целью повышения точности при одновременной линеаризации выходной характеристики по измеряемся резистивной проводимости, в него введены блок вычисления отношения двух напряжений и последовательно соединенные ключ, блок памяти и вьгчитатель, причем первые входы вычитателя и блока вычисления отношения двух напряжений соединены с выходом амплитудного детектора, соединенного через ключ с входом блока памяти, выход которого соединен с вторым входом вычитателя, а выход вычитателя соединен с вторым входом блока вычисления отношения двух напряжений, причем управляющие входы переключателя и ключа связаны с выходом блока, управляющего настройкой измерительного контура в резонанс.