Диэлькометр Советский патент 1983 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для контроля диэлектрических параметров веществ в различном агре гатном состоянии. Известно устройство для измерени диэлектрических параметров веществ, содержащее генератор высокой частоты, к контуру кбторого подключены измеритель проводимости, блок сравнения частот и через электронный переключатель образцовый конденсато или измерительная ячейка, соединенная параллельно с динамическим конденсатором, управляемым приводным блоком, первый блок памяти, связанный с измерителем проводимости, второй блок памяти, связанный с измерителем емкости, который, кроме того, связан с динамическим конденс тором а. . Недостатком известного устройств является низкая точность измерения, обусловленная динамическим методом измерения, из-за переходных процессов как в генераторе, так и в измерителях активной проводимости и емкости. Кроме того, известное устрои ство имеет низкую точность при исследовании диэлектрических параметров веществ, обладающих большими потерями, из-за влияния активной проводимости контура на частоту генератора и узкий диапазон измерения активной проводимости контура, так как увеличение проводимости образца включенного в контур генератора, приводит .не только к увеличению погрешности измерения реактивной проводимости, но и к срыву генерации. Наиболее близким к предлагаемому является диэлькометр, который состо ит из генератора высокочастотных колебаний; измерительного контура, в который постоянно включены катушка индуктивности и подстроечные варика пы; ключа, попеременно подключающего в измерительный контур измерительные варикапы или емкостной датчик; модулятора, управляющего модулирующим конденсатором в измерительном контуре; амплитудного детектора высокочастотных колебаний; блока памяти амплитуды высокочастотных колебаний на контуре нри отключенном датчике; ключа, соединяющего вход блока памяти с -выходом ё1МШ1Итудного детектора при отключенном датчике; вычитателя блока вычисления отношения двух напряжений; запоминающего устройства, управляющего емкостью подстроечных вapиJ aпoBf запоминёиощего устройства управляющего емкостью измерительных варикапов; блока настройки измерительного контура в резонанс с частотой генератора, ключа, синхронно с переключением датчика подключаю цего к выходу блока настройки контура соответствующее запоминающее устройство 2 . недостатком известного диэлько(метра является низкая точность измерения, обусловленная влиянием на добротность варикапа при высоких частотах объемного сопротивления полупроводникового материала варикапа. Добротность варикапа высоких частотах может быть представлена выражением -, где (О - круговая частотаг г , Ср - объемное сопротивление и емкость варикапа. Так как отсчет проводимости исследуемого вещества осуществляется относительно пустого датчика, то и нулевая отметка шкалы формируется как разность напряжений на контуре с подключенными измерительными варикапами (Ug) и подключенным датчиком (UXQ), отнесенная к и KQ . Если при этом добротность измерительных варикапов не равна добротности пустого датчика, то в тракте передачи сигнала устанавливается коэффициент передачи Kj, таким образом, чтобы , и выходной сигнсш был равен нулю. После заполнения датчика исследуемьол веществом и настройки измерительного контура с датчиком и без емкость измерительных варикапов увеличивается на столько, на сколько увеличилась емкость датчика., при этом доброт.ность варикапов падает, что приводит к уменьшению напряжения U, занижению значения информативного параметра UQ-UX/UX и, следовательно, результата измерения проводимости. Цель изобретения - повышение точности измерения диэлектрических потерь в контролируемом веществе. Поставленная цель достигается тем, что в диэлькометр, содержащий . высокочастотный генератор с измерительным контуром, состоящим из параллельно соединенных катушки индуктивности и подстроечных варикапов, модулятор и амплитудный детектор, , включенные параллельно измерительному контуру, первый переключатель, средний вывод которого соединен с выходом высокочастотного генератора, а два других вывода соответственно соединены с измерительными варикапами и емкостным датчиком, при этом выход амплитудного детектора через ключ соединен с входом блока памяти, с одним из входов блока вычитания, с одним из входов, блока настройки, с входом первого блока деления, выход блока настройки соединен со средним выводом второго переключателя, один выход которого через запоминающий блок соединен с общим выводом подстроечных варикапов измерительного контура/ другой выход

через второй запоминающий блок сое динен с общим выводом измерительных варикапов/ а другой вход блока настройки соединен с управляющим выходрМ модулятора, введены два сумматора, источник постоянного напряжения, рёгулируемый источник постоянного напряжения, второй блок деления, причем один из входов первого сумматора соединен с выходом источника постоянного нап Ьяжения, другой вход соединен с выходом второго запомингиощего. блока, а выход первого сумматора соединен с одним из входов второго- блока деления, другой вход последнего соединен с выходом регулируемого источника постоянного напряжения, а выход второго блока деления соединен с одним из входов второго сумматора, другой вход которого соединен, с выходом первого блока дe ieния, выход второго сумматора является выходом диэлькометра.

На чертеже представлена структурНЭ1Я схема диэлькометра.

Диэлькометр содержит высокочастотный генератор I, измерительный контур, образованный катушкой 2 индуктивности и подетроечными варикапами 3, переключатель 4, попеременно включающий в измерительный контур измерительные варикапы 5 или емкостный датчик 6, модулятор 7, aмплитyдный детектор 8, блок 9 памяти амплитуды сигнала на измерительном контуре при отключенном датчике, ключ 10, через который блок 9 памяти подключен к выходу амплитудного детектора 8, блок 11 вычитания, первый блок 12 деления, в котором один вход соединен с выходом блока 11 вычита ния,, а другой - с выходом амплитудного детектора 8, запоминающий блок 13, управляющий емкостью подстраечных варикапов 3, запоминающий блок 14, управляющий емкостью измерительных .варикапов 5, переключатель 15, работающий синхронно с переключателем 4 и ключом 10, блок 16 настройки измерительного контура в резонанс с частотой генератора, первый сумматор 17, источник 18 постоянного напряжения, регулируемый источник 1§ постоянного напряжение, второй блок 20 деления, второй сумматор 21.

Первый вход первого сумматора 17соединен с выводом управления емкостью измерительных варикапов 5, второй вход сумматора 17 соединен с источником 18 постоянного напряжения выход сумматора 17 сдединён с одним из входов блока 20 деления, другой вход которого соединен с регулируемым источником 19 постояннбго напряжения, а выход соединен с первым входом второго сумматора 21, .в котором второй вход соединен с выходом первого блока 12 деления.

а на выходе формируется информативный сигнал результата измерения про- водимости, не содержащий аддитивной norpeyjHOCTH.

Предлагаемый диэлькометр работает следующим образом.

Измерительный контур настраивается в резонанс с частотой высокочастотного генератора 1 подстроечными варикапами 3, когда емкостной дат0чик б подключен в контур, и измерительными варикапами 5, когда ем,костной датчик отключен. В диэлькометре модуляция емкости контура преобразуется в амплитудную модуляцию

5 высокочастотного напряжения на контуре. Низкочастотная огибсиощая частоты модуляции выделяется амплитудHbiM детектором 8 и поступает в бл.ок. 16 настройки измерительного контура, где осуществляется усиление и после0дующее синхронное детектирование сигнала. Постоянное напряжение отрицательной полярности с выхода блока 16 настройки через переключа тель 15 и соответствующий запоминающий блок

5 13 или 14 поступает в точку управления емкостью подстроечных или измерительных варикапов 3 и 5, изменяя их емкость, пока измерительный контур не настроится в резонанс. При

0 зтом емкостьподстроечных и измерительных варикапов С определяется поступающим в точку управления их емкостью напряжением смещения (J в соответствии с функциональной за5висимостью л

/- :1 С I 1, ; 1

UCM. (1)

U

и,

где Со - значение емкости С при

о,

и

0

СМ

Ui, контактная разность потенциалов, зависящая от материёшов р и п - областей диода.

Напряжение смещения запоминается

5 в запоминающем,блоке 13 после настройки контура подстроечными варикапами 3 и в. запоминающем блоке 14. после настройки контура измерительными варикапами 5.

0

При 1астройке контура измерительными варикапами 5 сигнал с измерительного контура через амплитудный детектор 8 и ключ 10 поступает на блок 9 памяти, где запоминается амп5литудное значение сигнала на измерительном контуре и о с от Слюченным емкостным датчиком 6. С выхода блока 9 памяти сигнал U поступает на один вход блока 11 вычитания, на другой

0 вход которого поступает выходной сигнал с амплитудного детектора 8, соответствующий амплитудному значе,нию напряжения на измерительном контуре ( U jj - при. подключенном емкостном датчике 6; Оо при отключенном

5 5

емкостном датчике 6). На выходе блока 11 вычитания формируется разностный сигнадйи - UQ - их поступающий на один вход блока 12 деления, на другой вход делителя, в который поступает сигнал с амплитудного детектора 8 Ux (при подключенном емкостном датчике 6) или UQ (при отключенном емкостном датчике 6). На выходе блока 12 деления формируется сигнал Uo-Uv

дающий информацию об активUK

ной проводимости Qx аддитивной погрешностью, обусловленной влиянием объемного сопротивления варикапов

гв:

i/ koJ reel

0 о

где QO собственная активная проводимость измерительного кон тура.

В диэлькометре эта погрешность исключена из результата измерения следующим образом.

Постоянное напряжение и см отрицательной полярности с точки управления емкостью измерительных варикапов суммируется в первом сумматоре 17 с постоянным напряжением UK и того же знака от источника 18 постоянного напряжения. Причем значение напряжения UCM связано с емкостью варикапов Су функциональной зависимостью 1, а значение напряжения U выбирается в зависимости от полупроводникового материала варикапов.

Так, для германиевых варикапов 0(0,4 В, для кремниевых 0,8 В. Суммарный сигнсш подается на ОДИН вход блока 20 деления, на другой вход которого от регулируемого 5 источника. 19 постоянного напряжения подается сигнал, напряжение которого и 4 устанавливается равным следующему значению:

kcj4aC UK

и а

Регулировка значения U производ;ится по нулевым показаниям измеряемой проводимости при пустом емкостном датчике 6.

На выходе блока 20 деления формируется сигнал, частному от деления двух напряжений

.

U,

г

Эо UCM+U,

поступающий на первый вход сумматор.а 21, на второй вход которого подается сигналUQ-UX UKC выхода блока 12 деления. Суммарный сигнал на выходе сумматора 21 используется в качестве информативного сигнала изг меряемой проводимости и не содержит погрешности из-за объемного сопротивления варикапов 3, 5 подстроечиых и измерительных

U

3JL

+4kSo

и

см

ДИЭЛЬКОМЕТР, содержащий высокочастотный генератор с измерител1 ным контуром, состоящим из параллельно соединенных катушки индуктивности и подстроечных варикапов, модулятор и амплитудный детектор, включенные параллельно измерительному контуру, первый переключатель, средний вывод которого соединен с выходом высокочастотного генератора а два других вывода соответстзенно соединены с измерительными варикапа ми и емкостным датчиком, при. этом выход амплитудного детектора через ключ соединен с входом блока памяти/ с одним из входов блока вычитания, с одним из входов блока настройки, с входом первого блока деления, выход блока настройки соединен со сред ним выводом второго переключателя, один выход которого через первый запоминающий блок соединен с общим выводом подстроечных варикапов измерительного контура, другой выход через второй запоминающий блок соединен с общим выводом измерительных варикапов, а другой вход блока настройки соединен с управляющим выходом модулятора, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения диэлектрических потерь контролируемого вещества, в него введены два сумматора, источник постоянного напряжения, регулиi руемый источник постоянного напряжения, второй блок деления, причем один из входовпервого сумматора соединен с выходом источника постоян ного напряжения, другой вход соединен с выходом второго запоминающего блока, а выход первого сумматора соединен с одним из взсодов второго блока деления, другой вход последнего соединен с выходом регулируемого источника постоянного напряжения, а выход второго блока деления соединен с одним из входов второго сумматора, другой вход которого соединен с выходом первого блока деления, вы4; U ход второго сумматора является выходом диэлькометра. . :л