Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры Российский патент 2019 года по МПК G01R25/02 

Описание патента на изобретение RU2695030C1

Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.

Известные устройства для измерения фазовых сдвигов распределённых RC-структур основаны на выделении отдельных гармонических сигналов одинаковой частоты и измерении временного промежутка между точками с одинаковой фазой с последующим делением на период гармонического сигнала (Например, статья Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic measurement of the phase difference between two VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, №11, pp. 62-66; книги 1) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М.: Энергия, 1972, 2) Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359; патент РФ №2244937 С1 Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце, МПК G01R 25/02, опубл. 20.01.2005, бюл. №1 и т.д.).

Для осуществления измерения фазовых сдвигов используют генератор синусоидального сигнала, управляемый в соответствии с программой нахождения искомого результата. Программа включает как различные подключения объекта измерения, так и обработку полученных результатов. Это удлиняет процесс измерения, является источником погрешностей, что, в конечном счёте удорожает и снижает точность измерения фазовых сдвигов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2244937, G01R 25/02, принятое за прототип.

Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:

1 – генератор;

2 – измеряемое устройство (распределенная RC-структура);

3, 4 – зонды;

6 – двухзондовый фазочувствительный элемент;

7, 14 – первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8 – устройство сопряжения;

9 – ПЭВМ;

10 – 3-децибельный балансный делитель;

11 – фазовый модулятор;

12, 13 – первый и второй вентили;

15, 16 – первая и вторая детекторные секции.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор 1, 3-децибельный балансный делитель 10, фазовый модулятор 11, измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13, выход которого соединен с первым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. Другой выход 3-децибельного балансного делителя 10 через первый вентиль 12 соединен со вторым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. При этом первый зонд 3 двухзондового фазочувствительного элемента 6 через последовательно соединенные первую детекторную секцию 15 и первый АЦП 7 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения (согласования) 8. Второй зонд 4 через последовательно соединенные вторую детекторную секцию 16 и второй АЦП 14 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения 8, выход которого соединен с ПЭВМ 9.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Непрерывный СВЧ-сигнал от генератора 1 разделяется на два плеча с равными амплитудами в 3-децибельном балансном делителе 10. Далее сигнал от одного из плеч 3-децибельного балансного делителя 10 поступает на фазовый модулятор 11 и через измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13 – на первый вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Сигнал от второго плеча (опорный сигнал) через первый вентиль 12 поступает на второй вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Далее сигналы от двухзондового фазочувствительного элемента 6 детектируются первой 15 и второй 16 детекторными секциями соответственно, преобразуются в цифровую форму в первом 6 и втором 14 аналого-цифровых преобразователях и поступают через устройство сопряжения 8 в ПЭВМ 9.

Цикл измерения состоит из двух тактов, отличающихся состоянием фазового модулятора 11 (0 или 180 градусов), в каждом из которых по команде от ПЭВМ 9 измеряются значения амплитуд сигналов от двух зондов 3 и 4 двухзондового фазочувствительного элемента 6 с последующим вычислением сдвига фаз, внесённым измеряемым устройством 2, по предложенному для данного способа выражению с регистрацией результатов в ПЭВМ 9.

Недостатками устройства-прототипа являются его сложность, большая длительность процесса измерения, низкая точность результата измерения за счёт влияния паразитных параметров зондов и переключающих устройств.

Для решения поставленной задачи в устройство измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, содержащее генератор, измеряемое устройство, фазочувствительный элемент и два зонда, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующее устройство и персональную ЭВМ (ПЭВМ), согласно изобретению, введен операционный усилитель, инверсный вход которого соединен с одним зондом и через первый резистор – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента, выход которого подключен к входу АЦП, при этом выход ПЭВМ соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с другим зондом и опорным входом фазочувствительного элемента, причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре, используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

1 – генератор;

2 – распределённая RC-структура (измеряемое устройство);

3, 4 – первый и второй зонды;

5 – операционный усилитель;

6 – фазочувствительный элемент;

7 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

8 – согласующее устройство;

9 – персональная ЭВМ (ПЭВМ);

R1, R2 – первый и второй резисторы.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные операционный усилитель 5 и фазочувствительный элемент 6, выход которого через последовательно соединенные АЦП 7 и согласующее устройство 8 шиной соединен с ПЭВМ 9, выход которой подключен к управляющему входу генератора 1, один выход которого соединен с общей шиной. При этом другой выход генератора 1 соединен с первым зондом 3 и опорным входом фазочувствительного элемента 6. Выход операционного усилителя 5 через первый резистор R1 соединен с его инверсным входом и вторым зондом 4. Неинверсный вход операционного усилителя 5 через второй резистор R2 соединен с общей шиной. Таким образом, в отрицательную обратную связь операционного усилителя 5 через два зонда 3 и 4 подключена распределённая RC-структура 2, являющаяся измеряемым устройством.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Распределённая RC-структура 2 подключается через первый 3 и второй 4 зонды в отрицательную обратную цепь операционного усилителя 5, что обеспечивает появление гармонического сигнала на его выходе. Фазочувствительный элемент 6 преобразует изменение фазы сигнала в изменение амплитуды, которая получается на его выходе.

Заданный с помощью ПЭВМ 9 гармонический сигнал генератора 1 UГ подаётся на первый зонд 3, подключенный к распределённой RC-структуре 2. В результате на выходе операционного усилителя UУ будет гармонический сигнал, определяемый по следующей формуле:

U У = U Г [ jωR C RC jω R RC C RC +1 ], (1)

где UГ– напряжение на выходе генератора 1; UУ – напряжение на выходе операционного усилителя 5; R – номинал резистора 6 операционного усилителя 5; j =(-1)½ - мнимая единица; ω=2πf – круговая частота гармонического сигнала; RRC и CRC – эквивалентные сопротивление и ёмкость распределённой RC-структуры.

Эквивалентную ёмкость распределённой RC-структуры можно определить как

C RC =A ε a , (2)

где A – конструктивный параметр зонда, м; ε a = ε 0 ε – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды ( ε 0 = (36π 10 9 ) 1 , Ф/м; ε– относительная диэлектрическая проницаемость; C RC - ёмкость датчика, Ф.

Эквивалентное сопротивление представимо в виде

R КС = A 1 σ 1 , (3)

где A – тот же конструктивный параметр датчика, м; σ – удельная электропроводность среды, См/м; R КС - активное сопротивление датчика, Ом.

Следовательно, произведение RRC*CRC можно представить как

R КС C RC = A 1 σ 1 A ε a = ε a /σ. (4)

Подставляя результат (4) в формулу (1), можно определить фазовый сдвиг гармонического сигнала φ, получающийся на выходе операционного усилителя 5 относительно сигнала на выходе генератора 1

φ=arcctg( ω ε a σ ). (5)

На опорный вход фазочувствительного элемента 6 поступает гармонический сигнал с выхода генератора 1, а на его сигнальный вход поступает гармонический сигнал с выхода операционного усилителя 5. На выходе фазочувствительного элемента 6 получается сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу φ согласно формуле (5) и подается на вход АЦП 7, с выхода которого через устройство сопряжения 8 этот сигнал поступает в ПЭВМ 9, где запоминается и обрабатывается. Для управления работой генератора 1 используется выход ПЭВМ 9, с помощью которого устанавливается заданное значение частоты генератора 1, его включение и выключение.

Для обеспечения заданной точности измерения фазового сдвига φ номиналы резисторов R1 и R2 должны быть одинаковыми. Формула (5) также указывает на отсутствие влияния конструктивных параметров зондов 2 и 4 на результат измерения фазового сдвига.

Фазочувствительный элемент может быть выполнен, например, как описано в книге Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. Л. «Энергия», 1974, С. 86, рис. 5-57.

Другие блоки общеизвестны и их реализация не вызывает затруднений.

Предлагаемое устройство может быть использовано для определения других характеристик распределённой RC-структуры: тангенс угла диэлектрических потерь, удельной проводимости подстилающей поверхности, диэлектрической проницаемости и т.д. аналогично тому, как описано в патенте РФ 2671299, G01V 3/08/

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры при упрощении и ускорении процесса измерения.

Похожие патенты RU2695030C1

название год авторы номер документа
Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры 2018
  • Парфеевец Юрий Александрович
  • Щеголеватых Александр Сергеевич
RU2695025C1
ДВУХЗОНДОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ В БАЛАНСНОМ КОЛЬЦЕ 2003
  • Винярский В.Ф.
  • Митин В.А.
  • Синани А.И.
  • Зеленюк Ю.И.
  • Колодько Г.Н.
  • Фролов И.И.
  • Соколов В.Г.
RU2244937C1
Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления 2017
  • Провоторов Георгий Федорович
  • Щеголеватых Александр Сергеевич
RU2671299C9
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЫХЛОСТИ ЭПИТЕЛИАЛЬНОЙ ТКАНИ КИШЕЧНО-ЖЕЛУДОЧНОГО ТРАКТА 1991
  • Петляков Сергей Иванович
RU2026004C1
Способ измерения электрофизических параметров четырехполюсника и устройство для его осуществления 2023
  • Остапенко Александр Григорьевич
  • Щеголеватых Александр Сергеевич
RU2804322C1
Цифровой измеритель @ -параметров 1983
  • Походыло Евгений Владимирович
  • Хома Владимир Васильевич
SU1120254A1
Устройство для измерения дисперсии электропроводности жидких сред 1981
  • Скрипник Юрий Алексеевич
  • Глазков Леонид Александрович
  • Иванов Борис Александрович
  • Водотовка Владимир Ильич
SU954895A1
Способ зондирования ионосферы и устройство для его реализации 2020
  • Воронков Борис Николаевич
  • Щеголеватых Александр Сергеевич
RU2764782C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ И ЕМКОСТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ИМПЕДАНСА БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ 2000
  • Ефремов А.В.
  • Ибрагимов Р.Р.
  • Манвелидзе Р.А.
  • Леонтьев В.Т.
  • Булатецкий К.Г.
  • Колонда Г.Г.
  • Тарасов Е.В.
  • Ибрагимов Р.Ш.
RU2196504C2
ПРИЕМНИК ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ С КВАДРАТУРНО-ТРЕХФАЗНОЙ АРХИТЕКТУРОЙ, СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА ПОСРЕДСТВОМ УКАЗАННОГО ПРИЕМНИКА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НАСТРОЙКОЙ УКАЗАННОГО ПРИЕМНИКА 2013
  • Седов Виталий Анатольевич
  • Каган Эдуард Михайлович
  • Шилов Павел Александрович
  • Кутикин Сергей Сергеевич
  • Горегляд Виктор Демьянович
RU2542939C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 695 030 C1

Реферат патента 2019 года Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур. Заявлено устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, в которое введен операционный усилитель (5), инверсный вход которого соединен с одним зондом (4) и через первый резистор (R1) – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента (6), выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. При этом выход ПЭВМ (9) соединен с управляющим входом генератора (1), выход которого соединен с другим зондом (3) и опорным входом фазочувствительного элемента (6). Причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре (2), используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя (5) через второй резистор (R2) соединен с общей шиной. Технический результат – повышение точности измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры, упрощение и ускорение процесса измерения. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 695 030 C1

Устройство измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, содержащее генератор, измеряемое устройство, фазочувствительный элемент и два зонда, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующее устройство и персональную ЭВМ (ПЭВМ), отличающееся тем, что введен операционный усилитель, инверсный вход которого соединен с одним зондом и через первый резистор – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента, выход которого подключен к входу АЦП, при этом выход ПЭВМ соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с другим зондом и опорным входом фазочувствительного элемента, причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре, используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2695030C1

ДВУХЗОНДОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХ СДВИГОВ В БАЛАНСНОМ КОЛЬЦЕ 2003
  • Винярский В.Ф.
  • Митин В.А.
  • Синани А.И.
  • Зеленюк Ю.И.
  • Колодько Г.Н.
  • Фролов И.И.
  • Соколов В.Г.
RU2244937C1
Квазиооптимальный фазометр 1972
  • Жилин Николай Семенович
SU459741A1
Цифровой одноканальный инфранизкочастотный фазометр 1987
  • Чинков Виктор Николаевич
  • Немшилов Юрий Александрович
  • Лисьев Вячеслав Николаевич
  • Маринко Сергей Викторович
SU1472831A1
Одноканальный инфранизкочастотный фазометр 1986
  • Аношкин Александр Владимирович
  • Грузинцев Евгений Владимирович
  • Дьяченко Сергей Владимирович
  • Пестов Валерий Николаевич
SU1337812A1
CN 201917612 U, 03.08.2011
US 4506333 A, 19.03.1985.

RU 2 695 030 C1

Авторы

Парфеевец Юрий Александрович

Щеголеватых Александр Сергеевич

Даты

2019-07-18Публикация

2018-11-26Подача