Измеритель параметров диэлектриков Советский патент 1984 года по МПК G01R27/26 

йаправлениях, при этом входы детекJTopOB соединены с. выводами датчика,

- с входом фильтра нижних

а выходы частот

ИЗМЕРга:ЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ,- содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, liC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненной в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управлякщим входом синхронного детектора, я отсчетно-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вьгаод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений малык приращений емкости, в него введены второй иС -контур, образованный второй катушкой индук тивноСти и измерительным датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки введенного контура соединен с в1 1ходом генератора, второй амплитудный детек тор, частотный модулятор, ькчзд ко- . торого соединен, с модулирующим вхо. дом высокочастотного генератора, а вход - с выходом коммутационного генератора, последовательно соеди- : ненные регулятор частоты к генератор; иг пульсов, два вентиля, входы кото- : г Iрьк соединены с выходом усилителя постоянного тока и с входом регуляО) iTopa частоты, два ключевых блока, управляющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из венти-, лей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которогосоединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая емкость, подключенная во второй LC контур параллельно его катзтаке индуктивности, и измерительному датчику, и реверсивньй счётчик импульсов, выход которого соединен с входом отсчетно-регистрирующега блока, а каждый из разноименныхвходов под.ключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входай реверсивного шагового двигателя, выход которого связан с .регулируняцин входом управляемой образцовой емкости, причем.один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а другие - соответственно в обратном

Изобретение относится к средствам неразрзга1ающего контроля непроводящих сред, например полимерньк композиций на основе диэлектриков, и может быть использовано как. для исследования композитных материалов, изменение физико-механических свойств которых влияет на их диэлектрические характеристики, так и для контроля кинетики физико-химиче-ских процессов структурообразования или твердения в производстве ряда матеЕ иалов и изделий, диэлектрические свойства которых зависят от технологических параметрйВо

Известно устройство для контроля параметров реактивных элементов, индуктивностей или емкостей, основанное на измерении величины отклонения (приращения) реактивной соетавляющей комплексного с.опротивления контролируемо-го элемента от образцового значения, и содержащее два автогенератора,, переключатель выход которого подключен к времязадающей цепи первого автогенератора, измерительный и образцовый реактивные элементы (емкости или индзтстивности), общий вывод которых соединен с корпусом устройства, а два других подключены соответственно к входам переключателя, а также низ кочастотный генератор, выход которо- ;го соединен с управляющим входом переключателя, частотный преобразователь, входы которого подключены к выходам автогенераторов, и .индика тор И .

Недостатком данного устройства является невысокая точность камерения из-за погрешности, обусловленной асимметрией -каналов переключателя,вызванной конструктивной неидентично тью его проходных (паразитньгх) емкостей., нестабильностью (температзф;ной или. временной) .реактивных параметров сравниваемых элементов и ком- мутационными помехам -, возниканщш-ш

при переключении сравниваемых элемен-: тов.и изменяющими спектр зондирующего сигнала, что приводит к дрейфу НУЛ.Я устройства. Кроме того, нали-. чие электромеханического коммутато- ра (переключателя) ограничивает быстродействие и снижает надежность устройства.

Наиболее близким к изобретению техническим решением являе.тся устройство для контроля технологических параметров непроводящих материалов,основанное на сравнении амплитуд двух сигналов, снимаемых с колеб тельного контура в разные такты коммутации .образцовой и измерительной емкостей дифференциального датчика, и содержащее высокочастотный генератор, емкость связи, LC -контур, последовательно соединенные варикап и конденсатор, дифференциальный емкостной датчик, два переключателя, разноименные входы которых соединены между собой и подключены к высокопотенциальным электродам датчика, последовательно соединенные детектор, узкополосный фильтр низкой частоты, избирательный усилитель низкой частоты, синхронньй детектор и отсчетно-регистрирующее устройство, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с заправляющими, входами переключателей-и синхронного детектора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора источник опорного напряжения и дефференциапьный усилитель постоянного тока, один из входов которого соедияен с выходом фильтра нижних частот, другой вход подключен к выходу источника опорного напряжения, а выход соединен с первыми выходами варикаа и конденсатора, причем второй ывод конденсатора соединен с входом мплитудного детектора, с выходом переключателя и с одним- из ьюодов .LC -контура, второй вывод оторого соединен с вторым выводом варикапа с выходом второго переключателя, с низкопотенциальными электродами датчиков, и с корпусом устройства, а средний вывод индуктивности liC -контура соединен через емкость связи-с выходом высокочастотного генератора 2 . Недостатком известного устройств является низкая точность измерения малых приращений контролируемого параметра. . . Цель изобретения - повьшение точ ;Ности измерения малых приращений емкости. . Поставленная цель достигаемся тем, что в измеритель параметров диэлектриков, содержащий высокочастотный генератор, активное сопротив ление, LC -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненньй в виде дифферен циального конденсатора измерительны датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, вькод которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также -коммутационньй генератор, вых которого соединен с управляющим вхо дом синхронного детектора, и отсчет но-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивноети, а средний вывод катушки индукти ности через активное сопротивление соединен с выходом высокочастотного генератора, введены второй LC -контур, образованный второй катушкой индуктивности и измерительным датчиком, второе активное сопротивле- ние, через которое, средний вьшод ка тушки введенного контура соединен с выходом генератора, второй амплитудный детектор, частотный-МОДУЛЯТОР, выход которого соединен с модулирунладямвходомвысокочастотногогенератора, а вход - р выходом ком мутационного генератора, последовательно соед1 ненные регулятор час:тоты и генератор импульсов, два венти ля, входы которых соединены с выхо.дом усилителя постоянного тока и с входом регулятора частоты, два ключевых блока, управляюпр1й вход каждого из которых соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальные входы подключены к вькоду генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которого соединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая емкость, подключенная во второй LC -контур параллельно его катушке индуктивности и измерительному датчику, и реверсив- j ный счетчик импульсов, выход которогЬ соединен с входом.отсчетно-регистрирующего блока, а каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллель но одноименным входам реверсивного шагового двигателяJ выход которого связан с регулцрукщим входом управляемой образцовой емкости, причем один КЗ детекторов и один из вентилей включены в прямом, а-другие соответственно в обратном направленй - ях, при этом входы детекторов сое- 1 динены с выводами, датчика, а выходы - с входом фильтра нижних частот. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого измерителя;.на фиг. 2 амплитудно-частотные харак-; теристики первого (пунктирной линией;) и второго (сплошная линия) LC -кон- туров.в исходном состоянии, т.е. после установки нуля (фиг. 2 а) и при внесении объекта измерения в поле измерительного датчика первого .LG-контура-в случае равенства (фиг. 2 б) и различия- (фиг 2 в) крутизны характеристик обоих контуров; на фиг, 3 - эпюры напряжений , на выходе высокочастотного генерато-, ра (а) на выходе первого (б) и второго (в) выпрямителей-, на входе фильтра нижних частот (пунктирная | линия) и на входе усилителя постоян-i iHoro тока (сплошная линия, фиг.З г), на выходе усилителя низкой частоты ; (д) и на выходе синхронного детектора (е), кроме того на фиг, 3 г штрих-пуиктирной линией показан уровень постоянной составляющей выходлого напряжения, усилителя постоянного тока, а на фиг. S е пунктиром обозначен уровень напряжения на выходе, усредняющего звена-синхронного детектора, причем индексы у осей ординат на фиг, 3 указывают,к какому блоку измерителя относится изображенный график. Устройство содержит высокочастоТ ный генератор 1 с кварцевой стабша зацией частоты, частотный,модулятор 2, два активных сопротивления 3 и .4, первый LС -контур 5, коммутацион ный генератор 6, включенные в первый LC -контур катушку 7 индуктивности и первую секцию 8 измеритель:Ного датчика 9с объектом измерения катушку 10 индуктивност, управляеыую образцовую емкость 11 и вторую секцию 12 измерительного датчика, образующие второй- LC -контур 13, детекторы 14 и 15, синхронный детек тор 16, фильтр 17 нижних частот, усилитель 18 постоянного тока ТОТ, усилитель 19 низкой частоты, регуля ;тор 20 частоты, вентили 21 и 22, ;генератор 23,импульсов, ключевые ;блоки 24 и 25, реверсивный шаговьй .двигатель 26, реверсивньй счетчик ;27 импульсов и о счетно-регистрирую блок 28. . При этом выход генератора 1 чере активные сопротивления 3 и.4 соеди|нен со средними выводами катушек |7 и 10 индуктивности контуров 5 и |13 соответственно,-Одни из крайних 1 выводов катушек 7 и Ю индуктивност ; соединены с общим выводом измерител кого датчика и корпусом устройства, а вторые - с вьгаодами секций 8 и 12 ;измерительного датчика и входами де текторов 14 и 15, выход которых через фильтр нижних частот 17 и УПТ 18 соединен с входами регулятора 20 частоты и вентилей 21 и 22. Вькод регулятора частоты соединен с управляницим входом генератора 23 импульсов, выход которого соединен с одним из входов блоков 24 и 25, вторые входы соторых соединены с выходами вентилей. Выходы блоков 24 и 25 соединены с входами реверсивно го двигателя и счетчика 27, выход которого соединен с входом- отсчетно регистрирующего блока. Реверсивный двигатель управляет-управляемой образцовой емкостью 11, включенной в контур 13, параллельно секции 12 : измерительного датчика Выход УПТ 1 соединен также с входом усилителя 19 низкой частоты, выход которого соединен с сигнальным входом синхро ного детектора 16, управляющий вход которого соединен с выходом коммутационного генератора 6, а выход с выходами амплитудных детекторов. . Выход генератора через модулятор 2 со динен с управляющим входом генератора Измеритель работает следующим образом, С выхода высокочастотного генератора 1 через активные сопротивле ния 3 и 4 напряжение частоты GJf подается соответственно на два LC контура 5 и 13 (фиг. 1), расстроенные относительно частоты высокочастотного генератора так, что их рабо-чие точки в исходном состоянии (без объекта 9, измерения) находятся на правом склоне резонансных характеристик, где имеются относительно большие линейные участки. Причем pa-s бочее напряжение (т.е. рабочая точка) каждого из контуров соответствует приблизительно 0,7 своего резонансного значения, .кроме того, собственные параметры элементов второго LC -контура 13 - индуктивность катушки 10 и секция 12 измерительного датчика - эквивалентны собственным параметрам однотипных элементов (индуктивности катушки 7 и секции- 8 измерительного датчика без объекта , измерения) первого tiC -контура 5, который конструктивно идентичен с вторым и в исходном состоянии в отсутствие внешних воздействий настроен так, что собственные резонансные частоты обоих контзфов 60 j и СОнеравны некоторому значению, которое в соответствии с положением рабочих точек лежит ниже значения час-; тоты высокочастотного генератора (фиг. 2 .а) . Поскольку оба 1,С -контура нагружены на встречно включенные детекторы 14 и 15, то напряжение, поступающее в исходном состоянии на фильтр 17 нижних частот и являющееся суммой, полуволн синусоидальных сигналов, снимаемых через детекторы с обоих контуров, равно нулю. При внесении объекта 9 измерения в поле секции 8 измерительного датчика происходит увеличение ее емкости, т.е. снижение резонансной частоты (Оц, первогб LC контура 5, что приводит к перемещению его рабочей точкт (точка А на фиг. 26) вниз по склону резонансной характеристики, в результате чего напряжение, поступающее на первый детектор 14, уменьшается и на фильтре нижних частот появляется постоянная составляющая, величина и знак которой зависит от изменения емкости секции 8 измерительного датчика.

После масштабирования в усилителег 18 постоянного тока это напряжение поступает через вентиль 22 или -в за-; висимости от знака постоянной составяющей через вентиль 21 на управляюий, вход ключевого блока 25 (или

24), открывая его. Через открытьй ключевой блок 25-на параллельно .включенные реверсивный шаговьй двигатель 26 и реверсивный счетчик 27 импульсов с генератора. 23 импульсов будут поступать импульсы,,по которьм реверсивный шаговый двигатель будет изменять значение управляемой образцовой емкости 11 до тех пор, пока не совместятся рабочие точки обоих LC -контуров, т,е. пока не выравняются их коэффициенты передачи, при этом напряжение на выходе усилителя 18 постоянного тока, пропорциональное разности потенциалов AU4g между точками А и Б (фиг. 2 б), будет стремиться к нулю, а соответстВУЮ1ДИЙ ключевой блок 25 (или 24)прекратит подачу импульсов на входы реверсивного шагового двигателя и реверсивного счетчика импульсов. Так как число импульсов, поступающих на двигатель 26 и счетчик 27,пропорционально приращению управляемой образцовой емкости 11, необходимому для компенсации влияния измеряемой

величины, то показания отсчетно-регистрирующего блока 28 будут пропорциональны приращению емкости измерительного датчика, определяемому значением диэлектрической проницаемости объекта 9 измерения, внесенного в поле секций 8 датчика.

Разность потенциалов между рабочими точками обоих ЦС -контуров, возникающая при внесении объекта измерения в поле одной из секций измерительного датчи са, может измениться вследствие изменения параметров элементов LC -контуров (температурный дрейф) и появления ,разпостй между крутизнами их резонансных характеристик кроме того, из-за случайных дрейфов могут изменяться и коэффициенты преобразования детекторов, что в конечном итоге приводит к погрешности измерения. Для умень,швния этой погрешности в измеритель введен частотный модулятор 2, который изменяет частоту выходного напряжения высокочастотного.генератора 1 по гармоническому закону, задаваемому синусоидальным напряжением коммутационного генератора 6, подаваемым на вход частотного модулятора.

В результате частотной модуляции ,

зондирующего сигнала (фиг. За) высокочастотного генератора 1- происходит перемещение рабочих точек ItC - контуров по склонам их резонансных характеристик (фиг, 2 в) и на выходе

детекторов 14 и 15 появляются амплитудно- частотно-модулированные сигна-лы из полуволн синусоиды соответствующего знака (фиг. 3 б, в), причем амплитуда огибающей каждого из этих

сигналов пропорциональна коэффициёнту передачи .соответствукщих цепей и девиацри о (о частоты высокочастотного генератора. При различной.крутизне рабочих склонов резонансных

характеристик ЬС -контуров 5 и 13 на входе усилителя постоянного тока 18 появится амплитудно-модулированное напряжение, частота которого , определяется частотой коммутационногр генератора 6, а амплитуда огибающей этого напряжения пропорциональна разности коэффициентов передачи}k, - 218ы соответствующих цепей. Усилитель 19 низкой частоты, настроенный на частоту коммутационного генератора, выделяет первую гармонику частоты огибающей (фиг. 3 д), которая после синхронного детектирования i (фиг. 3 е) подается с выхода синхрона

ного детектора 16 в общую точку детеЬ торов. 14 и 15,. противофазно изменяя ; их проводимости (коэффициенты пре- образования) и регулируя, таким образом, добротности 1|С -контуров 5

и 13 и коэффициенты передачи указангг ных цепей. При соответствующем выборе фазовых соотношений по цепи коррекции, состоящей из фильтра 17, усипителей 18-19, детектора 16, в

общей точке детекторов 14 и 15 будет устанавливаться потенциал, компенсирующий неидентичИость крутизны резонансных характеристик Д(С, -контуров. I .

Внесение объекта 9 измерения

поле секции 8- измерительного датчика приводит к расстройке nepBoro.LC -KOHf тура 5 и при равенств,е добротностей обоих контуров 5 и 13 - к смещению резонансной .характеристики соответствующего контура- параллельно самой себе без изменения крутизны ее склона. Поэтому на входе усилителя 18 постоянного тока изменяется лишь постоянная составляющая (штрих-пунктирИая линия на фиг, 3 г), являющаяся результатом суммирования выпрямленных полуволн гармонического напряжения противоположных знаков (фиг.З б ив). Далее это напряжение преобразуется .в цифровзто форму по описанному алгоритму. Управляемаяобразцо вая емкость 11 выполнена так, что ее величина при воздействии на реверсивный шаговый двигатель 26 последовательности 1 1пульсов изменяется по линейному закону ступенями фиксированного значения. Регулятор 20 частоты позволяет повысить быстродействие измерителя, не ухудшая переходных процессов при перестройке.второго LC контура 13. Поскольку при большом уровне постоянной составляющей напряжения на выходе усилителя 18 постоянного тока регулятор частоты независимо от знака этого напряженйя повышает частоту импульсов генератора 23 и, тем самьм, увеличивает 19610 скорость отработки реверсивного шагового двигателя и перестройки второго LC -контура управляемой образцовой емкостью 11, а по мере регулировки этой емкости амплитуда постоянной составляющей на выходе усилителя 18 падает и соответственно под воздействием регулятора частоты уменьшается частота генератора импульсов, что исключает возможность перерегулирования при подходе измерителя к состоянию равновесия. Таким образом, введение частотной модуляции несзгщей частоты напряжения высокочастотного генератора, питающее го L С -контуры, позволило осуществить коррекцщо добротности двухканальной части аналогового тракта в процессе измерения и дало возможность исключить наиболее нестабильные с точки зрения динамической погрешности звенья, каковыми являются электромеханические коммутаторы, надежность которых также невысока.

u)

4

I Частота

4i/,e-4C;/

r 80;(

Фиг.г

t

а i

I

4№ 5 fmi-ffirT Tr тгплггпТ ТГ ft Tl irffflf,t

Р1 уидащ,

пли А и ЛПппл Л А М П Annnnn

we.J

сгташи.

Время

ишуц