Claims (2)
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относитс к измеритель1НОЙ технике и может быть использовано при разработке прецизионных диэлькоме-ь рсж и диэлькометрических анализаторов состава веществ с измен ющейс в широком диапазоне проводимостью. Известны устройства дл измерени диэлектрической проницаемости, основанные на измерении емкости датчика, вклю ченного в пассивный RLC - шухполюсник (резонансный измерительный ЬС-вонтур) при параметрической модул ции. Такие устройства содержат резонансный измерительный ЬС- ончур (с вклк чайным в него емкостным датчиком), питающий высокочастотный генератор, модулирующий элемент, компенсирующий элемент, демодул тор, нуль-орган. Модификации измеритеттьных схем различаютс видом высокочастотного напр женна , питак цего резонансный взмерителгйоый LC-контур (иемодупированное или частотио-модулированное) способом включени модулирух цето элемента (в измерительном ЬС-контуре или генера торе) и методом включени компенснрдпо щего элемента (в измерительном LCконтуре или генераторе) 1 2 . Недостатком таких устройств вл етъ. с то, что условие незаввскмости реэупь тата измерений 6 от проводимости обре SB не выполн етс при наличие высших гармонических составл киоих в пнтаюшем нзмерителыолй ЬС«чсонтур напр жвЕшв, что практически всегда имеет место в реальных схемах вследствие нелинейных искажений. Известно также устройсгво дл юмерений диэлектрической проницаемоет , которое примен етс в качестве автомат ческого электронного влагомера, содержащее емкостной датчик, включенный в резонансный взмервтелышй ЬСнкоытур, в который также включен компенсиру1опшй конденсатор переменной емкости, в периодически подключаетс Кюоулирующвй конденсатор, модул тор (управл ющий 393 модулирующим конденсатором, питающий высокочастотный (ВЧ) генератор, демодул тор и 11ул1 ч)рган) ГЗ . Устройство работает следующим образом . Измерительный LC-контур питаетс от генератора ВЧ-напр жени с фиксированной частотой. Модул шга осуществл етс периодическим подключением с по- ключа модулирующей емкости к LC -контуру.. Работой ключа управл ет модул тор. При отсутствии равновеси в системе на измерительном LC-контуре образуетс амплитудно-модулированное ВЧ-напр жение. Низкочастотна огибающа выдел етс демодул тором (детектором ) и поступает на нуль-орган, на вы ходе которого образуетс управл ющий сигнал, используемый в статической или астатической системах слежени дл воздействи на компенсирующую емкость. Изменением последней схема приводитс в состо ние равновеси . Диэлектрическа проницаемость - или св занные с ней параметры анализируемого вещества определ ютс по изменению емкости компенсирующего конденсатора . При подаче на измерительный LC -кон тур t; ВЧ-генератора гармонического напр жени условием настройки контура в резонанс с частотой генератора (равновеси измерительной схемы) вл етс равенство модулей коэффидиента передачи при подключенной и отключенной моду лирующей емкости, т. е. AV(.VrC,.)-AX9,vK), И) где А, и - модули коэффициента передачи дл гармонического сигнала ; А - / U« / Е / / и, - напр жение на UC -контур Е - ЭДС генератора; д. - проводимость, шунтирующа ЬС нконтур; Ср - резонансна емкость; C/v - модулирующа емкость. Из анализа уравнени (1) нетрудно псжазать, что значение емкости Ср, соответствующее резонансу, не зависит от шунтирующей ЬС-«онтур проводимости д Таким образом, достоинством известных устройств вл етс теоретическое отсутствие погрешности измерени диэлектрической проницаемости, завис щей от проводимости исследуемого вещества при питании резонансного измерительного LC -«онтура строго гармоническим высокочастотным напр жением. Недостатком известных устройств вл етс по вление ощибки в измерении диэлектрической проницаемости, завис щей от проводимости образца, при наличии высщих гармоник в питаклцем напр жении. На фиг. 1 показана зависимость модулей коэффициента переаачи от емкости измерительного LC-контура дл первой и второй гармоник. А и А/j соответственно ; на фиг. 2 - блок-ч;хема предлагаемого устройства. При значении емкости измерительного LC -«онтура Ср, соответствующему равенству модулей коэффициента передачи по первой гармонике, модули коэффициента передачи по второй гармонике не равны , т. е. . Очевидно, в этом случае настройка 1,С-«;онтура в резонанс осуществл етс до выполнени -следующего равенства А ,(А2-А Х(2УГ где оС - коэффициент, учитывающий относительное содержание второй гармоники и ее фазу. Равенству (2) удовлетвор ет значение емкости 1С- онтура Ср + ДС, гдеЛС погрешность настройки в резонанс из-за наличи гармоник. Можно показать, что разность A, практически остаетс посто нной в щиро- ком диапазоне значений проводимоетей. шунтирующих LC -контур и значений емкости С вблизи Ср. Учитыва последнее обсто тельство, равенство (2) можно записать в следующем виде: (Аа-А а) . dAi -AC covist. Известно, что крутизна склонов резонансной характеристики колебательного контура сильно зависит от шунтирующей контур проводимости 9 Поэтому, как видно из выражени (4), погрешность настройки будет измен тьс в широких пределах при изменении проводимости измер емого образца. Зависимость Л от о- вносит непосредственный вклад в погрешность измерени диэлектрической пронишемости. Все сказанное о вли нии второй гармоники также справедливо и дл . более высоких гармоиическюс составл ющих. 59 Даже при достаточно малых нелиней ных искажени х (вС5 1%) погрешность измерени при иаменении проводимост исследуемого вещества превышает 6%. Цель изобретени - повьш1ение точ- нести за счет исключени вли ни второ гармоники генератора. Указанна цель достигаетс тем, что устройство дл измерени диэлектрической проницаемости .материалов, состо ще из емкостного датчика, включенного в измерительный LC -контур с трем параллельно соединенными конденсаторами, один из которых подключен к модул тору , генератора, демодул тора, нуль-органа , содержит сумматор, один из входов которого соединен с демодул тором, другой вход сумматора соединен с выходом модул тора, а выход сумматора соединен с нуль-органом. Подача напр жени с модул тора на вхо луль-органа вместе с напр жением с выхода демодул тора, соотношение амплитуд и фаз которых задаетс в сумматоре, сводит минимуму вли ние высших гармоник на точность измерени диэлектрической проницаемое ти. Устройство содержит генератор 1 высокочастотного напр жени , резонансный измерительный контур, образованный катушкой индуктивности 2, компенсирующим конденсатором 3, модулирующей емкостью 4 и емкостным датчиком 5, коммутирующий ключ 6, демодул тор 7, модул тор 8, нуль-орган 9 и сумматор 10. Устройство работает следующим образом . При изменении емкости датчика 5 (например, после заполнени исследуемым веществом) LC -чсонтур расстраиваетс относительно частоты ВЧ-генератора 1. Высокочастотное напр жение на ЬС -контуре модулируетс по амплитуде, вслед- .ствие неравенства коэффициентов передачи измерительной схемы при подкл1оченном и отключенном модулирующем конденсаторе 4. Коммутаци конденсатора 4 в LC -контуре осуществл етс с помощью ключа 6. Работой ключа 6 управл ет модул тор 8. Демодул тором 7 выдел етс низкочастотна (частоты модул ции) огибающа ВЧ-«апр жени на измерительном LC нконтуре. Фаза огибаклцей зависит от знака расстройки контура относительно частоты генератора 1 и может взмен тыс на 180 относительно фазы модулирующего напр жени . Сигнал с демодул тора 7 поступает на первый вход сум- 186 матора 10. На второй его вход поступает сигнал с модул тора 8. Этим сигналом в сумматоре 1О компенсируетс составл юща сигнала расстройки, обусловленна наличием высших гармоник в питающем ВЧннапр жении. В результате параметры сигнала расстройки на выходе сумматора характеризуют расстройку LC -контура только по первой основной гармонике. Далее сигнал расстройки поступает на вход нуль-органа 9, на второй вход которого поступает опорное напр жение с модул тора 8. На выходе нуль-органа 9 образуетс управл кааий сигнал, измен ющий емкость компенсирующего конденсатора 3 так, что измерительна схема приходит в равнсжесие и LC -неонтур оказываетс настроенным в резонанс относительно первой гармоники В Ч-генератора независимо от проводимости исследуемого вещества в датчике 5. I По изменению емкости компенсирук щего конденсатора 3 определ пот приращение емкости датчика 5 при внесении в него исследуемого вещества и диэлекррическую проницаемость. Испытани показали надежность действи предлагаемого устройства при измерении диэлектрической проницаемости провод щих веществ с переменным значейием проводимости. При тщательной настройке сумматора может быть достигнута полна компенсаци вли ни нелинейных искажений питающего высокочастотного сигнала на иэмерениа диэлектрической проницаемости. Формула изобретени Устройство дл измерени диэлектрической пронй1 емостн,материале, состо щее из емкостного датчика, включенного в измерительный LC-контур с трем параллельно соединенными ковденсаторами, один из которых подключен к модул тору, енератора, демодул тора, нуль-органа, отличающеес тем, что, с целью повышени точности за счет исклк ени вли ни второй гармоники генератора , оно содержит сук матор, один из ходов которого соединен с демодул тсхром , другой вход сумматора соединен с ыходом модул тора, а выход сумматора оединен с нуль-органом. Источники информации, прин тые во-вниманвепри экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 9 266286, ЕЛ. ОО1 N 27/22, 8.11.68. DIELECTRIC PERMEABILITY OF MATERIALS The invention relates to a measuring technique and can be used in the development of precision dielectric analyzers and analyzers of the composition of substances with a varying conductivity in a wide range. Devices for measuring the dielectric constant are known, based on measuring the capacitance of a sensor included in a passive RLC - shpapolis (resonant measuring HC-contour) with parametric modulation. Such devices contain a resonant measuring HC-onchur (with a capacitive sensor included in the tea), a power high-frequency generator, a modulating element, a compensating element, a demodulator, a zero-organ. Modifications of measuring circuits are distinguished by the type of high-frequency voltage, supplying a resonant LC measurement circuit (it is modulated or frequency-modulated) by switching on a modulator element (in a measuring CS circuit or a generator) and by switching on a compensating element (measuring frame (measure) (measuring circuit or measuring component (measuring circuit or measuring generator) (using a compensating element (a measuring circuit) (a measuring circuit (a measuring circuit) or a measuring circuit (a measuring circuit (a measuring circuit) (a measuring circuit (a measuring circuit or a generator)), and switching on a compensation element (a measuring frame (measure) (measuring circuit (measuring circuit or generator)) and switching on the compensating element (measuring frame (measure) or measuring circuit (measure, switching circuit (measuring circuit or generator)) ) 12 . The disadvantage of such devices is. Since the condition of independency of measurements of impurity 6 from the conductivity of SB is not fulfilled with the presence of higher harmonic components in terms of the measuring voltage of the voltage, which is almost always the case in real circuits due to nonlinear distortions. It is also known to measure the dielectric constant, which is used as an automatic electronic moisture meter, containing a capacitance sensor, included in the resonant thermometer, and containing a compensating variable capacitor, which is connected to the Curling capacitor periodically, and the tuner is connected. a capacitor supplying a high-frequency (HF) generator, demodulator and 11ul1 h) rgan) GB. The device works as follows. The measurement LC circuit is powered by a RF generator with a fixed frequency. The modular module is made periodically by connecting the modulating capacitance to the LC circuit with a switch. The switch is controlled by the modulator. In the absence of equilibrium in the system, an amplitude-modulated RF voltage is formed on the measuring LC circuit. The low-frequency envelope is extracted by a demodulator (detector) and goes to a null body, on the output of which a control signal is used that is used in static or astatic tracking systems to affect the compensating capacitance. By changing the latter, the circuit is brought to equilibrium. The dielectric constant — or the parameters of the analyte associated with it, are determined by the change in capacitance of the compensating capacitor. When applied to the measuring LC - round t; The high frequency harmonic voltage generator condition for tuning the circuit to resonance with the generator frequency (equilibrium of the measuring circuit) is the equality of the transmission coefficient modules with the modulating capacitance connected and disconnected, i.e. AV (.VrC,.) - AX9, vK), I) where A and are the modulus of the transfer coefficient for the harmonic signal; A - / U "/ E / / and, - voltage across the UC-circuit E - EMF of the generator; D. - conductivity, shunting bc nc circuit; Cp is the resonant capacitance; C / v - modulating capacitance. From the analysis of equation (1), it is easy to say that the value of capacitance Cp, which corresponds to the resonance, does not depend on the shunt BC conductivity circuit. Thus, the advantage of the known devices is the theoretical absence of the measurement error of the dielectric constant depending on the conductivity of the test substance during feeding. resonant measuring LC - “ontur is strictly harmonic high-frequency voltage. A disadvantage of the known devices is the appearance of an error in the measurement of the dielectric constant, depending on the conductivity of the sample, in the presence of high harmonics in the voltage of the receiver. FIG. 1 shows the dependence of the transfer coefficient modules on the capacitance of the measuring LC circuit for the first and second harmonics. A and A / j, respectively; in fig. 2 - block-h; heme of the proposed device. When the value of the capacitance of the measuring LC is “ontur Cp, corresponding to the equality of the modules of the transfer coefficient in the first harmonic, the transfer coefficient modules in the second harmonic are not equal, i.e. Obviously, in this case, the setting is 1, C - "; ontur at resonance is carried out until the following equality is fulfilled: A, (A2-A X (2 2G where оС is the coefficient taking into account the relative content of the second harmonic and its phase. Equality (2) There is no capacitance value of the 1C-circuit Cp + DC, where the LS error is tuned to resonance due to the presence of harmonics. It can be shown that the difference A remains almost constant in the wide range of values of the conductance of the shunt LC circuit and the values of capacitance C near the center Taking into account the last circumstance, equality (2) can be written in the following form: (Aa-Aa). dAi -AC covist. It is known that the steepness of the slopes of the resonant characteristic of the oscillating circuit strongly depends on the shunting conduction loop 9 Therefore, as can be seen from expression (4), the tuning error will change wide limits when changing the conductivity of the sample being measured. The dependence of L on o- contributes directly to the error in measuring the dielectric constant. Everything said about the effect of the second harmonic is also true for dl. higher harmonic components. 59 Even with sufficiently small nonlinear distortions (vC5 1%), the measurement error with a change and the conductivity of the analyte exceeds 6%. The purpose of the invention is to increase the accuracy by eliminating the influence of the second harmonic of the generator. This goal is achieved by the fact that a device for measuring the dielectric constant of materials consisting of a capacitive sensor included in a measuring LC circuit with three parallel-connected capacitors, one of which is connected to a modulator, generator, demodulator, zero-organ, contains an adder, one of the inputs of which is connected to the demodulator, the other input of the adder is connected to the modulator output, and the output of the adder is connected to the zero-organ. Applying a voltage from the modulator to the input of a lulla organ together with the voltage from the output of the demodulator, the ratio of the amplitudes and phases of which is specified in the adder, minimizes the effect of higher harmonics on the accuracy of measuring the dielectric constant. The device contains a high-frequency voltage generator 1, a resonant measuring circuit formed by the inductor 2, a compensating capacitor 3, a modulating capacitance 4 and a capacitive sensor 5, a switching switch 6, a demodulator 7, a modulator 8, a zero-body 9 and an adder 10. Device works as follows. When the capacitance of sensor 5 changes (for example, after filling with the test substance), the LC controller is disturbed with respect to the frequency of the RF generator 1. The high-frequency voltage on the HC circuit is amplitude-modulated, due to the inequality of the transfer ratios of the measuring circuit with the modulating capacitor connected and disconnected 4. The switching of the capacitor 4 in the LC circuit is carried out using the key 6. The operation of the key 6 is controlled by the modulator 8. The low-frequency (modulation frequencies) envelope of the RF “apr On measuring LC ncourt. The phase of the curvature depends on the sign of the detuning of the circuit relative to the frequency of the oscillator 1 and can be replaced by 180 times the phase of the modulating voltage. The signal from the demodulator 7 is fed to the first input of the accumulator 186 of the matrix 10. The second signal from the modulator 8. The signal from the detuning signal is compensated by this signal in the 1O adder, due to the presence of higher harmonics in the RF supply voltage. As a result, the parameters of the detuning signal at the output of the adder characterize the detuning of the LC circuit only in terms of the first fundamental harmonic. Next, the detuning signal is fed to the input of the null organ 9, the second input of which receives the reference voltage from the modulator 8. At the output of the null organ 9, a control signal is formed that changes the capacitance of the compensating capacitor 3 so that the measuring circuit comes to equilibrium and The LC network is tuned to resonance with respect to the first harmonic of the H generator — regardless of the conductivity of the test substance in sensor 5. I From the change in the capacitance of the compensating capacitor 3, the gain of the sensor 5 is detected when senii it analyte and dielekrricheskuyu permeability. Tests have shown the reliability of the proposed device in measuring the dielectric constant of conductive substances with a variable conductivity value. With careful tuning of the adder, full compensation of the effect of nonlinear distortions of the high-frequency supply signal on the dielectric constant measurement can be achieved. DETAILED DESCRIPTION A device for measuring the dielectric constant of a capacitive material consisting of a capacitive sensor included in a measuring LC circuit with three parallel connected capacitors, one of which is connected to a modulator, a generator, a demodulator, a null organ, characterized in In order to increase the accuracy due to the exclusion of the second harmonic of the generator, it contains a sucker, one of the turns of which is connected to the demodule, the other input of the adder is connected to the output of the modulator, and the output of the adder n with a zero-body. Sources of information taken in the examination of the examination 1. USSR author's certificate 9 266286, ЕЛ. OO1 N 27/22, 8.11.68.
2. Авторское № 321738, кл. 27.О5.7О. 7938118В сввдетельство СССР 3, Ав эрское свидетельство СССР д01 N 27/22,№ 529407, кл. Q01 N27/22, 12.07.73 (прототип).2. Author's No. 321738, cl. 27.O5.7O. 7938118В svdedellstvo USSR 3, Aviation Certificate of the USSR d01 N 27/22, No. 529407, cl. Q01 N27 / 22, 07.07.73 (prototype).
4four
frff С, frff C,