СПОСОБ КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПО ДИСПЕРСИИ КОЭФФИЦИЕНТА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов с помощью электрических полей широкого частотного диапазона и может быть использовано для контроля физико-химических процессов полимеризации, структурирования, степени отверждения и процессов старения материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь от влияющего фактора, например температуры, концентрации компонентов, времени и т.п.

Ряд свойств материалов (структурообразование, полимеризация, пропитка, напыление, степень увлажнения и сушки и т.п.) в процессе их производства определяются по их диэлектрическим параметрам, которые зависят от структуры и природы материала, плотности, вязкости, пористости, химического состава, поляризуемости, концентрации и подвижности носителей зарядов, адсорбционных и температурных свойств и т.д. Свойства материалов определяются с использованием градуировочных характеристик, связывающих диэлектрические параметры, в частности коэффициент диэлектрических потерь с физико-химическими.

Известен способ контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь [1] (Скрипник Ю.А. Кондратов В.Т. Диэлектрические методы контроля свойств материалов и веществ, Изв. вузов Технол. легкой промышленности, 1991, N 1, с. 108 114), основанный на использовании мостовых методов измерения, при которых на емкостной датчик, включенный в мостовую измерительную цепь, подают переменное напряжение регулируемой частоты, уравновешивают мостовую цепь на каждой частоте с помощью переменных конденсаторов и резисторов, а частотную дисперсию коэффициента диэлектрических потерь определяют по изменениям уравновешивающих параметров в требуемом диапазоне частот.

Однако большие частотные погрешности мостов переменного тока, их ограниченный частотный диапазон, отсутствие безреактивных магазинов резисторов для широкого частотного диапазона не позволяют выявлять и измерять с высокой точностью частотные (дисперсионные) изменения коэффициента диэлектрических потерь.

Известен способ контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь [2] (Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений, М: Машиностроение, 1979, с. 150 151), основанный на использовании резонансных методов измерений, при которых емкостной датчик, включенный в резонансный контур, возбуждают на высокой частоте и измеряют добротность контура, по изменениям которой судят об изменениях коэффициента диэлектрических потерь материала, помещенного в электрическое поле датчика.

Трудность перестройки частоты автогенераторных схем и непостоянство добротности резонансного контура в широком диапазоне частот затрудняет также обнаружение частотных изменений диэлектрических потерь исследуемых материалов, а неизбежная неравномерность амплитудно-частотной характеристики автогенераторной схемы резко снижать точность измерения дисперсии коэффициента диэлектрических потерь.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля свойств материалов по коэффициенту диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости [3] (Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества, М. Машиностроение, 1982, с. 78 80), заключающийся в том, что на емкостной датчик, в электрическом поле которого находится исследуемый материал, подают высокочастотное зондирующее напряжение, перемножают в первом измерительном канале выходное высокочастотное напряжение емкостного датчика с выходным высокочастотным напряжением, сдвинутым по фазе на 90^o, перемножают во втором измерительном канале выходное высокочастотное напряжение емкостного датчика непосредственно с входным высокочастотным напряжением, выделяют постоянные составляющие из перемноженных напряжений, изменяют частоту переменного напряжения и по изменению постоянной составляющей перемножения напряжений в одном из каналов определяют дисперсию коэффициента диэлектрических потерь.

Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит генератор высокочастотного зондирующего напряжения регулируемой частоты, к выходу которого подключены накладной емкостной датчик и фазовращатель на 90^o, два измерительных канала, каждый из которых включает множительный блок, фильтр нижних частот и индикатор, входы множительного блока первого канала соединены с выходом емкостного датчика и выходом фазовращателя, а входы множительного блока второго канала с выходом и входом емкостного датчика.

Недостатком известного способа и устройства является невысокая точность измерения именно дисперсии коэффициента диэлектрических потерь. Это объясняется тем, что при изменении частоты переменного напряжения неизбежно происходят изменения его амплитуды, которые воспринимаются выходными индикаторами как дисперсия диэлектрической проницаемости и коэффициента диэлектрических потерь. Неконтролируемые изменения фазового сдвига и коэффициента передачи фазовращателя при изменении частоты переменного напряжения также вызывают появление частотных погрешностей, соизмеримых с дисперсией контролируемого параметра. Дополнительные погрешности вносятся также нестабильностью масштабных коэффициентов множительных блоков, коэффициентов передач фильтров и усилителей, которые необходимы для согласования измерительных каналов с индикаторами.

В основу изобретения поставлено повышение точности контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь за счет выявления и измерения с высокой точностью малых изменений коэффициента диэлектрических потерь при применении частоты переменного электрического поля емкостного датчика.

Поставленная задача достигается тем, что в способ контроля свойств по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь, заключающийся в том, что на накладной емкостной датчик, в электрическом поле которого находится исследуемый материал, подают зондирующее высокочастотное напряжение, перемножают в первом и втором измерительных каналах зондирующие высокочастотные напряжения, выделяют постоянные составляющие переменных напряжений, изменяют частоту зондирующего высокочастотного напряжения и определяют дисперсию коэффициента диэлектрических потерь, введены дополнительные операции: генерируют опорное напряжение фиксированной низкой частоты, в первом измерительном канале вначале перемножают напряжение, пропорциональное низкочастотному току фиксированной частоты, протекающему через накладной емкостной датчик с приложенным напряжением этой же частоты, затем перемножают напряжение, пропорциональное высокочастотному току регулируемой частоты, протекающему через накладной емкостной датчик с приложенным напряжением этой же частоты, сравнивают постоянные составляющие переменных напряжений, изменяют величину зондирующего высокочастотного напряжения на входе накладного емкостного датчика до получения равенства сравниваемых напряжений, во втором измерительном канале вначале перемножают опорное низкочастотное напряжение, подаваемое на образцовый делитель напряжения с его выходным напряжением, затем перемножают зондирующее высокочастотное напряжение на входе емкостного датчика с самим собой, сравнивают постоянные составляющие перемноженных напряжений, изменяют величину опорного низкочастотного напряжения на выходе образцового делителя до получения равенства сравниваемых напряжений, а дисперсию коэффициента диэлектрических потерь определяют по изменению коэффициента деления образцового делителя напряжений при изменении частоты зондирующего высокочастотного напряжения в требуемом диапазоне частот.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройство для контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь, содержащее подсоединенный к входу накладного емкостного датчика высокочастотный генератор регулируемой частоты, первый и второй измерительные каналы, содержащие выполненные каждый в виде установленных последовательно множительного блока, фильтра низких частот и индикатора, причем первый вход каждого множительного блока соединен с входом накладного емкостного датчика, к выходу которого подключен второй вход множительного блока первого измерительного канала, отличающийся тем, что с целью повышения точности в него введены: низкочастотный генератор фиксированной частоты, установленный между входом накладного емкостного датчика и вторым входом множительного блока первого измерительного канала преобразователь ток -напряжение, соединенные последовательно и расположенные в каждом измерительном канале между фильтром нижних частот и индикаторами усилитель напряжения частоты коммутации и фазочувствительный выпрямитель, подсоединенный к входу низкочастотного генератора фиксированной частоты делитель частоты, включенные между высокочастотным генератором регулируемой частоты и входом накладного емкостного датчика и соединенные последовательно широкополосный делитель напряжения и первый автоматический коммутатор, второй вход которого соединен с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты, второй автоматический коммутатор, вход которого подключен к выходу первого автоматического коммутатора, первый выход которого соединен непосредственно, а второй через образцовый делитель напряжения со вторым входом множительного блока второго измерительного канала, причем управляющие входы автоматических коммутаторов соединены с управляющими входами фазочувствительных выпрямителей и входом образцового делителя частоты.

Сущность данного способа заключается в следующем. Низкочастотное напряжение U₁= U_m1sin(ω₁t+Φ) фиксированной частоты (ω₁= const) и высокочастотное напряжение U₂= U_m2sin(ω₂t+Φ₂) регулируемой частоты (ω₂= var) поочередно подают на накладной емкостной датчик, в электрическом поле которого находится исследуемый материал с комплексной диэлектрической проницаемостью
ε = ε′ + jε″
где: ε′ действительная составляющая КПД или просто диэлектрическая проницаемость;
ε″ мнимая составляющая КПД или коэффициент диэлектрических потерь;
j символ мнимого числа.

Низкочастотное напряжение фиксированной частоты ω₁ используют в качестве опорного, а высокочастотное напряжение регулируемой частоты ω₂ в качестве зондирующего. Опорное и зондирующее напряжения подают на емкостной датчик поочередно с фиксированной частотой Ω = const более низкой, чем частота опорного напряжения ω₁(Ω<ω₁)..

В один полупериод поочередной коммутации через емкостной датчик с исследуемым материалом под действием опорного напряжения протекает низкочастотный ток.

где: b₁ реактивная проводимость датчика, пропорциональная диэлектрической проницаемости ε′;
g₁ активная проводимость датчика, обусловленная поглощением электрической энергии в материале и пропорциональная коэффициенту диэлектрических потерь ε″;
угол диэлектрических потерь исследуемого материала на частоте ω₁;
коэффициент, учитывающий непостоянство опорного напряжения относительно заданного значения.

В другой полупериод коммутации под действием зондирующего напряжения через емкостной датчик протекает высокочастотный ток

где: b₂ и g₂ реактивная и активная составляющие проводимости емкостного датчика на частоте ω₂;
коэффициент, учитывающий непостоянство зондирующего напряжения при изменении частоты ω₂ в требуемом диапазоне частот;
угол диэлектрических потерь на частоте ω₂.

Частоту ω₂ зондирующего напряжение изменяют в частотном диапазоне ω_2min÷ ω_2max, при этом частоту опорного напряжения выбирают по крайней мере в 10 20 раз меньше минимальной частоты зондирующего напряжения:
ω_2min ≅ (10÷20)ω₁ (3)
Активная проводимость емкостного датчика определяется значением коэффициента диэлектрических потерь ε″ и его дисперсией от частоты ε″ = f(ω₂). Поэтому активные проводимости емкостного датчика на низкой и высокой частотах могут быть представлены в виде
g₁ = kε″(ω₁) (4)

где относительная дисперсия коэффициента диэлектрических потерь;
k коэффициент пропорциональности, определяемый типом емкостного датчика и его геометрическими размерами.

Реактивные проводимости емкостного датчика зависят как от величины диэлектрической проницаемости ε′, так и от значения частоты приложенного напряжения:
b₁= ω₁kε′(ω₁) (6)
b₂= ω₂kε′(ω₁)[1+δε′(ω₂)] (7)
где относительное частотное изменение диэлектрической проницаемости.

Преобразуют низкочастотный /1/ и высокочастотный /2/ токи, протекающие через емкостной датчик, в пропорциональные напряжения:


где: K₂ коэффициент преобразования "ток-напряжение".

В первом измерительном канале в один полупериод коммутации низкочастотное напряжение U₃ перемножают с опорным напряжением U₁ и выделяют постоянную составляющую из результирующего напряжения

где: K₃ масштабный коэффициент множительного преобразователя;
K₄ коэффициент фильтрации.

В другой полупериод коммутации высокочастотное напряжение U₄ перемножают с зондирующим напряжением U₂ и выделяют постоянную составляющую из результирующего напряжения

С учетом значений проводимостей /4/, /5/ и /6/, /7/ напряжения U₅ и U₆ будут иметь вид:


Сравнивают в этом канале постоянные составляющие поочередно выделенных напряжений U₅ и U₆. Равенство этих величин достигают изменением амплитуды зондирующего напряжения на входе емкостного датчика

где: K₅ коэффициент деления широкополного делителя, зондирующего напряжения.

В момент достижения равенства сравниваемых величин имеем:

откуда коэффициент деления зондирующего напряжения

Во втором измерительном канале в один полупериод коммутации опорное напряжение U₁ подают на вход образцового делителя напряжения, перемножают его с выходным напряжением делителя и выделяют постоянную составляющую напряжения:

где K₆ и K₇ масштабный коэффициент множительного преобразования и фильтрации соответственно;
K₈ коэффициент деления образцового делителя напряжения.

В другой полупериод коммутации перемножают измененное зондирующее напряжение на входе емкостного датчика с самим собой и выделяют постоянную составляющую напряжения

Сравнивают в этом канале постоянные составляющие поочередно выделяемых напряжений U₇ и U₈. Равенство этих напряжений достигают изменением амплитуды опорного напряжения на выходе образцового делителя напряжения. При достижении равенства сравниваемых напряжений имеем:

Из уравнения /19/ с учетом соотношения /16/ следует, что коэффициент образцового делителя напряжения

относительная частотная дисперсия коэффициента диэлектрических потерь определяют из /20/ по формуле:

Таким образом, о дисперсии коэффициента диэлектрических потерь судят по изменениям коэффициента деления образцового делителя опорного напряжения, работающего на низкой фиксированной частоте ω₁. При этом результаты измерений δε″(ω₂) не зависят от непостоянства уровня как опорного (γ₁), так и зондирующего напряжения (γ₂), которое изменяется в диапазоне частот, а также от непостоянства коэффициентов K₁, K₂, K₃, K₄, K₅ и K₆, определяющих результаты промежуточных измерительных преобразований. Очевидно также, что на результат измерения δε″(ω₂) не влияют емкостные токи, зависящие от реактивных проводимостей b₁ и b₂ и частоты ω₂ и превращающих во много раз активные токи, создающие диэлектрические потери на низкой и высокой частотах.

Устройство для контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь содержит низкочастотный генератор 1 фиксированной частоты, высокочастотный генератор 2 регулируемой частоты, широкополосный делитель напряжения 3, делитель частоты 4, автоматические коммутаторы 5 и 6, накладной емкостной датчик 7, преобразователь ток-напряжение 8, образцовый делитель 9, два измерительных канала, содержащих множительные блоки 10, 11, фильтры 12, 13, усилители 14, 15, фазочувствительные выпрямители 16, 17, индикаторы 18, 19. Позицией 20 обозначен исследуемый материал.

Вход накладного емкостного датчика 7 соединен с выходом автоматического коммутатора 5, входом автоматического коммутатора 6 и первыми входами множительных блоков 10, 11. Выход накладного емкостного датчика 7 через преобразователь ток-напряжение 8 соединен с вторым входом множительного блока 10. Входы автоматического коммутатора 5 соединены с выходом низкочастотного генератора 1 и через широкополосный делитель 3 с выходом высокочастотного генератора 2. Выходы автоматического коммутатора 6 через образцовый делитель напряжения 9 и непосредственно соединены с вторым входом множительного блока 11. К выходу множительного блока 10 первого измерительного канала подключены последовательно соединенные фильтр 12 нижних частот, усилитель 14 частоты коммутации, фазочувствительный выпрямитель 16 и индикатор 18, а к выходу множительного блока 11 второго измерительного канала последовательно соединенные фильтр 13 нижних частот; усилитель 15 частоты коммутации, фазочувствительный выпрямитель 17 и индикатор 19. Входы управления автоматических коммутаторов 5, 6 и фазочувствительных выпрямителей 16, 17 соединены между собой и соединены с выходом делителя частоты 4, подключенного к выходу низкочастотного генератора 1 фиксированной частоты.

Устройство работает следующим образом.

Опорное напряжение генератора 1 фиксированной частоты и зондирующее напряжение генератора 2 регулируемой частоты через автоматический коммутатор 5 поочередно с частотой, задаваемой делителем 4 частоты, возбуждают электрическое поле датчика 7 то на низкой, то на высокой частотах. Одновременно эти напряжения перемножаются в множительном блоке 9 с напряжениями, пропорциональными току, протекающими в накладном емкостном датчике, электрическое поле которого взаимодействует с исследуемым материалом 20. Постоянные составляющие переменных напряжений выделяются фильтром 12 нижних частот. При неравенстве постоянных составляющих напряжений на выходе фильтра 12 присутствует переменная составляющая частоты коммутации, которая усиливается усилителем 14 частоты коммутации и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 16, управляемым выходным напряжением делителя 4 частоты. Выпрямленное напряжение фиксируется индикатором 18.

Нулевое показание индикатора 18 первого измерительного канала достигается изменением коэффициента деления широкополосного делителя 3 напряжения, с помощью которого регулируется амплитуда высокочастотного зондирующего напряжения.

В зависимости от положения коммутатора 6 в множительном блоке 11 перемножается опорное напряжение, ослабленное образцовым делителем 9 низкочастотного напряжения, или непосредственно зондирующее высокочастотное напряжение. Во втором измерительном канале аналогично первому фильтром 13 выделяются постоянные составляющие перемноженных напряжений. При их неравенстве переменная составляющая частоты коммутации усиливается усилителем 15 частоты коммутации и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 17. Выпрямленное напряжение фиксируется индикатором 19, а его нулевое показание достигается изменением коэффициента деления образцового делителя 9 опорного напряжения. Работа автоматических коммутаторов 5 и 6 сфазирована так, что через образцовый делитель 9 напряжения проходит только опорное напряжение фиксированной низкой частоты. Нулевые показания индикаторов 18 и 19 устанавливаются на каждой частоте высокочастотного генератора 2, а отсчет соответствующего значения дисперсии коэффициента диэлектрических потерь производится по значению коэффициента деления образцового делителя 9 напряжения по формуле /21/ по значениям коэффициента деления образцового делителя в зависимости от частоты зондирующего напряжения строят частотную характеристику диэлектрических потерь исследуемого материала, по которой судят о свойствах и составе материалов.

За счет исключения влияния непостоянства амплитуды зондирующего напряжения в широком диапазоне частот (100 кГц 10 мГц) и коэффициентов преобразования блоков измерительной схемы обеспечивается измерение частотной дисперсии относительно опорной частоты 1 кГц в пределах от 10^-4 до 5•10^-2 с относительной погрешностью не более 1,0% По сравнению с известным способом и устройством (погрешностью 5-10% в диапазоне частот) повышение точности достигнуто в 5-10 раз.

Использование: для контроля физико-химических процессов полимеризации, структурообразования, степени отверждения и процессов старения материалов. Сущность изобретения: устройство содержит генератор фиксированной частоты и генератор регулируемой частоты, широкополосный и образцовый делитель частоты, два автоматических коммутатора, датчик, преобразователь ток - напряжение, два множительных блока, два фильтра низких частот, два усилителя частоты коммутации, два фазочувствительных выпрямителя, два индикатора. Опорное и зондирующее напряжения поочередно возбуждают электрическое поле датчика, которое взаимодействует с контролируемым материалом. Одновременно они перемножаются с соответствующими токами, протекающими в датчике. При их неравенстве выделяется переменная составляющая, которая усиливается, выпрямляется и фиксируется индикатором. В множительном блоке может перемножаться либо ослабленное напряжение, либо зондирующее высокочастотное напряжение. Второй измерительный канал работает аналогично первому. Нулевые показания индикаторов устанавливаются на каждой частоте генератора зондирующего напряжения, а отсчет соответствующего значения дисперсии коэффициента диэлектрических потерь проводится по значению образцового делителя частоты по формуле. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь, заключающийся в том, что на накладной емкостной датчик, в электрическом поле которого находится исследуемый материал, подают зондирующее высокочастотное напряжение, перемножают в первом и втором измерительных каналах зондирующие высокочастотные напряжения, выделяют постоянные составляющие из перемноженных напряжений, изменяют частоту зондирующего высокочастотного напряжения и определяют дисперсию коэффициента диэлектрических потерь, отличающийся тем, что дополнительно генерируют опорное напряжение фиксированной низкой частоты, в первом измерительном канале вначале перемножают напряжение, пропорциональное низкочастотному току фиксированной частоты, протекающему через емкостной датчик, с приложенным напряжением этой же частоты, затем перемножают напряжение, пропорциональное высокочастотному току регулируемой частоты, протекающему через емкостной датчик, с приложенным напряжением этой же частоты, сравнивают постоянные составляющие переменных напряжений, изменяют величину зондирующего высокочастотного напряжения на входе емкостного датчика до получения равенства сравниваемых напряжений, во втором измерительном канале вначале перемножают опорное низкочастотное напряжение, подаваемое на образцовый делитель напряжения, с его выходным напряжением, затем перемножают зондирующее высокочастотное напряжение на входе емкостного датчика с самим собой, сравнивают постоянные составляющие переменных напряжений, изменяют величину опорного низкочастотного напряжения на выходе образцового делителя до получения равенства сравниваемых напряжений, а дисперсию коэффициента диэлектрических потерь определяют по изменению коэффициента деления образцового делителя напряжения при изменении частоты зондирующего высокочастотного напряжения в требуемом диапазоне частот. 2. Устройство для контроля свойств материалов по дисперсии коэффициента диэлектрических потерь, содержащее подсоединенный к входу накладного емкостного датчика высокочастотный генератор регулируемой частоты, первый и второй измерительные каналы, содержащие выполненный каждый в виде установленных последовательно множительного блока, фильтра нижних частот и индикатора, причем первый вход каждого множительного блока соединен с входом накладного емкостного датчика, к выходу которого подключен второй вход множительного блока первого измерительного канала, отличающееся тем, что в него введены низкочастотный генератор фиксированной частоты, установленный между выходом накладного емкостного датчика и вторым входом множительного блока первого измерительного канала преобразователь ток напряжение, соединенные последовательно и расположенные в каждом измерительном канале между фильтром нижних частот и индикатором усилитель напряжения частоты коммутации и фазочувствительный выпрямитель, подсоединенный к выходу низкочастотного генератора фиксированной частоты делитель частоты, включенные между высокочастотным генератором регулируемой частоты и входом накладного емкостного датчика и соединенные последовательно широкополосный делитель напряжения и первый автоматический коммутатор, второй вход которого соединен с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты, второй автоматический коммутатор, вход которого подключен к выходу первого автоматического коммутатора, первый выход которого соединен непосредственно, а второй через образцовый делитель напряжения с вторым входом множительного блока второго измерительного канала, причем управляющие входы автоматических коммутаторов соединены с управляющими входами фазочувствительных выпрямителей и входом делителя частоты.