АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК G01R27/22 G01R27/26 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля параметров материалов, веществ, изделий и может быть использовано как при изучении их физико-механических свойств, так и в технологических процессах для оценки их качества (наличия) по величине их диэлектрического параметра.

Известно устройство контроля параметров вещества, содержащее дифференциальный измерительный конденсатор, измерительный и образцовый генераторы, устройство сравнения частот. Дифференциальный измерительный конденсатор включен в частотозадающую цепь измерительного генератора (см. патент США № 4045728, кл. 324-59, 1977).

Недостатком известного устройства является его низкая чувствительность, так как второй генератор является пассивным.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является автогенераторный диэлькометрический измеритель, содержащий дифференциальный измерительный конденсатор с общим и измерительным электродами, измерительный и образцовый генераторы, устройство сравнения частот, связанное с последними. Общий и измерительный электроды дифференциального измерительного конденсатора выполнены в виде пластин, расположенных в параллельных плоскостях. Измерительный и образцовый генераторы снабжены частотозадающими цепями. Электроды дифференциального измерительного конденсатора включены в частотозадающую цепь измерительного генератора (см. авторское свидетельство СССР №868634, М. кл. 3 G 01 R 27/26, G 01 N 27/22).

Основным недостатком автогенераторного диэлькометрического измерителя является низкая чувствительность измерения, так как образцовый генератор является пассивным.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения чувствительности измерения при сохранении стабильности.

Для достижения данного технического результата автогенераторный диэлькометрический измеритель, содержащий дифференциальный измерительный конденсатор с общим и измерительным электродами, генераторы, в частотозадающую цепь одного из которых, являющегося измерительным, включены электроды дифференциального измерительного конденсатора, устройство сравнения частот, снабжен дополнительными конденсаторами, последовательно включенными в частотозадающую цепь одного из генератора, являющегося измерительным, как и другой генератор. В частотозадающую цепь другого измерительного генератора также включены электроды дифференциального измерительного конденсатора. Общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора.

Кроме того, для дополнительного повышения чувствительности измерения, общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора через резистор, сопротивление которого определяется по формуле

где К - коэффициент, равный 0,5-2,0;

f - частота измерительного генератора, в частотозадающую цепь которого включены дополнительные конденсаторы;

С - емкость частотозадающей цепи с дополнительными конденсаторами измерительного генератора.

Измерительные электроды дифференциального измерительного конденсатора могут быть выполнены в виде сегментов и расположены в одной плоскости по обе стороны от общего электрода.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема автогенераторного диэлькометрического измерителя, на фиг.2 изображены электроды дифференциального измерительного конденсатора.

Автогенераторный диэлькометрический измеритель содержит измерительные генераторы 1 и 2, каждый из которых выполнен на двух инверторах 3, 4 и 5, 6 соответственно цифровой микросхемы, например, К561ЛН2. Частота каждого генератора определяется частотозадающей RC цепью. Частотозадающая цепь генератора 1 состоит из резистора 7 и конденсатора 8. Частотозадающая цепь генератора 2 состоит из резистора 9 и, последовательно соединенных, дополнительных конденсаторов 10 и 11. Измеритель содержит также дифференциальный измерительный конденсатор 12, измерительный электрод 13 которого подключен к общей точке частотозадающей цепи генератора 1, а измерительный электрод 14 - к общей точке дополнительных конденсаторов 10 и 11 частотозадающей цепи генератора 2.

Измерительные электроды 13 и 14 расположены в одной плоскости с общим низкопотенциальным (заземленным) электродом 15. При этом измерительные электроды 13, 14 выполнены в виде сегментов и размещены по обе стороны от общего электрода 15.

Генераторы 1 и 2 через соответствующие буферные каскады 16, 17 (инверторы микросхемы) подключены к устройству сравнения частот - 18, в качестве которого может быть использовано устройство выделения разности частот, например реверсивный счетчик, или устройство измерения отношения частот, например, выполненное на микроконтроллере.

Общая точка дополнительных конденсаторов 10, 11 частотозадающей цепи генератора 2 подключена к измерительному электроду 14 через резистор 19. Сопротивление резистора 19 определяется по формуле (1).

Автогенераторный диэлькометрический измеритель работает следующим образом.

Частота генератора 1, зависящая от его частотозадающей цепи, состоящей из резистора 7 и конденсатора 8, определяется в соответствии со следующим выражением:

где R7 - сопротивление резистора 7;

С8 - емкость конденсатора 8.

Подключение измерительного электрода 13 к общей точке частотозадающей цепи приводит к увеличению эффективной емкости этой цепи, следовательно, частота генератора 1 с увеличением емкости дифференциального измерительного конденсатора 12 уменьшается.

Частота генератора 2, зависящая от его частотозадающей цепи, состоящей из резистора 9 и последовательно включенных конденсаторов 10 и 11, определяется выражением, аналогичным (2)

где R9 - сопротивление резистора 9;

С10 - емкость дополнительного конденсатора 10;

С11 - емкость дополнительного конденсатора 11.

Однако, подключение измерительного электрода 14 к общей точке дополнительных конденсаторов 10, 11 приводит к уменьшению эффективной емкости этой частотозадающей цепи. Следовательно, частота генератора 2 с увеличением емкости дифференциального измерительного конденсатора 12 увеличивается.

В результате на устройство сравнения частот 18 поступает частота от генераторов 1 и 2 с противоположным по знаку приращением. Внесение контролируемого вещества в рабочую область дифференциального измерительного конденсатора 12 приведет к увеличению его емкости пропорционально объему и диэлектрической проницаемости вещества. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению частоты генератора 1 и к увеличению частоты генератора 2. Частота с генераторов 1 и 2 через буферные каскады 16 и 17 поступает на устройство сравнения частот 18. Таким образом, общее приращение частоты, поступающее на устройство сравнения частот 18, увеличится, то есть чувствительность измерителя повысится. В то же время, поскольку генераторы выполнены на одинаковых элементах, то их временная и температурная нестабильность одинаковы, то есть отношение частот (стабильность измерителя) не изменится.

Экспериментально было определено, что при подключении измерительного электрода 14 к общей точке конденсаторов 10 и 11 через резистор 19 приводит к увеличению приращения частоты от внесенного вещества. Причем максимальное приращение можно получить при выборе сопротивления этого резистора из выражения (1).

Контролируемое вещество наиболее полно попадает в рабочую область дифференциального измерительного конденсатора 12 при выполнении измерительных электродов 13, 14 в виде сегментов и их размещении по обе стороны от общего электрода 15, то есть осуществляется исследование и контроль области вещества как вблизи электродов измерительного конденсатора 12, так и удаленной от этих электродов.

Таким образом, по сравнению с автогенераторным диэлькометрическим измерителем, выбранным в качестве прототипа, предлагаемый автогенераторный диэлькометрический измеритель имеет примерно в два раза более высокую чувствительность.

Использование: неразрушающий контроль параметров материалов, веществ, изделий, а именно, оценка наличия вещества по величине диэлектрической проницаемости. Сущность изобретения: дифференциальный измерительный конденсатор имеет общий и измерительные электроды. Электроды дифференциального измерительного конденсатора включены в частотозадающие цепи измерительных генераторов. Измерительные генераторы подсоединены к устройству сравнения частот. В частотозадающую цепь одного из измерительных генераторов последовательно включены дополнительные конденсаторы. Общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора. Технический результат: повышение чувствительности измерения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автогенераторный диэлькометрический измеритель, содержащий дифференциальный измерительный конденсатор с общим и измерительными электродами, измерительный генератор, в частотозадающую цепь которого включен электрод дифференциального измерительного конденсатора, устройство сравнения частот, отличающийся тем, что он снабжен вторым измерительным генератором и двумя дополнительными конденсаторами, последовательно включенными в частотозадающую цепь второго измерительного генератора, причем общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора.2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что общая точка дополнительных конденсаторов подключена к одному из измерительных электродов дифференциального измерительного конденсатора через резистор, сопротивление которого выбирают из соотношения

R=K/2πfC,

где К - коэффициент, равный 0,5-2,0;

f - частота измерительного генератора, в частотозадающую цепь которого включены два дополнительных конденсатора;

С - емкость частотозадающей цепи с дополнительными конденсаторами измерительного генератора.