Измеритель электрических свойств горных пород и руд Советский патент 1985 года по МПК G01R27/02 

11 Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при геофизических исследованиях. Известно устройство, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, фазорасщепитель, усилител мощности, эталонный резистор и измерительный датчик, а также компенсирующий усилитель, выход которого (Подключен к электроду измерительного датчика, инвертирующий вход - к его второму злектроду, а прямой вход через корректирующий четырехполюсник соединен с корпусом прибора и выходом компенсирующего усилителя, каналы измерений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления своими опорными входами под ключены к выходам фазорасщепителя, а сигнальными - к выходу буферного уси лителя, причем входы последнего соединены с электродами измерительного датчика ll. Данное устройство обладает на высоких частотах значительными погрешностями из-за токов утечек через емкостные и иные связи между корпусом прибора и землей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель электрических свойств горных пород и руд, содержащий задаю щий генератор и фазорасщ пит.ель, соединенные последовательно,, усилитель мощности и подключенный к его выходу эталонный резистор, причем прямой вход усилителя мощности через резисторы соединен с эталонным резистором и выходом фазорасщепителя, инвертирующий вход усилителя мощности также через резисторы соединен с выходом усилителя мощности и корпусом прибора, измерительный датчик в виде симметричного электрического диполя, одним своим входом подключен ный к эталонному резистору, а другим - к выходу компенсирующего усилителя, инвертирующий вход которого заземлен в месте расположения измери теля, а прямой вход соединен с корйу сом измерителя, буферный дифференциальный усилитель, входами подключенный к измерительному датчику, а { выходом - к сигнальньм входам канало измерений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления причем опорные входы каналов измере2ния составляющих соединены с выходами фазорасщепителя Г27. Однако известное устройство характеризуется невысоким выходным сопротивлением, не гтревьппающим сотен килоом, и необходимостью подбора резисторов, входящих в цепи положительной и отрицательной обратных связей, охватывакицих усилитель мощности, с точностью 0,05-0,1%. Если обозначить резисторы, включенные между выходом фазорасщепителя и прям№ входом усилителя, прямым входом усилителя и измерительным датчиком, между корпусом прибора и инвертирующим входом усилителя мощности, а также между инвертирующим входом усилителя мощности и его выХОДОМ, через R, Rj , RS R COOTветственно, то соотношение А Ч 4 ДОЛЖНО выполняться с погрешностью, не превышающей 0,05-0,1%, что весьма затруднительно для полевой аппаратуры, работаюпщй в тяжелых климатических условиях, несоблюдение же вышеприведенного условия приводит к самовозбуждению усилителя мощности либо к резкому снижению его выходного сопротивления. Кроме того, даже при выполнении указанного соотношения выходное со- . противление усилителя мощности оказывается равным -eWX f к - коэффициент усиления усилителя мощности, и не может превышать величины (Ri+Pj), т.е. практически лежит в пределах десятков - первых сотен килоом. Конечная величина выходного сопротивления приводит к систематическим погрещцостям Z особенно существенным при измерении свойств высокоомных горных пород. Цель изобретения - повьш1ение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее задаю- щий генератор и фазорасщепитель, соединенные последовательно, усилитель мощности, эталонный резистор, измерит ельный датчик, первый вход которого соединен с выходом усилителя мовщости через эталонный резистор, компенсирующий усилитель, инвертируюЕхий вход которого заземлен, пря мой вход соединен с корпусом прибора, а выход подключен к второму входу измерительного датчика, буферный усилитель, входы которого подклю чены к выходшу измерительного датчика, и каналы измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, сигнальные входы кото рых подключены к выходу буферного усилителя, а опорные - к выходам фазорасщепителя, дополнительно введены четыре полевь1х транзистора, при чем первый и второй транзисторы включены по схемам истоковых повторителей и их затворы соединены COOTветственно с первым входом измерительного датчика и выходом усилителя мощности, а истоки - с прямым и инверсным входами усилителя мощности, третий и четвертый транзисторы включены динамическиьт нагрузками, их стоки соединены с истоками первого и второго транзисторов, один из затворов подключен к выходу фазорасщепите ля, а другой - к регулируемому источ Нику смещения. Использование транзистора динами«ческой нагрузки истокового повторителя для подачи на вход усилителя, охватываемого обратными связями, входного сигнала позволяет надежно изолировать источник сигнала от цепе обратных связей и йсклочить его влия ние на глубину обратньсх связей. В целом появляется возможность значительно увеличить величину выходного сопротивления, исключить необходимость точного подбора глубин положительной и отрицательной обратных связей. На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства. Измеритель электрических свойств горных пород и руд содержит последовательно соединенные задаюв(ий генератор 1 и фазорасщепитель 2, усилитель 3 мощности, к выходу которого подключен эталонный резистор А, компенсирующий усилитель 5, прямой вход которого соединен с корпусом прибора, а инвертирующий заземлен в месте расположения измерителя, измерительный датчик 6, один из входов которого подключен к выходу усилителя 3 мощности через эталонный резистор 4, а второй-к выходу компенсирующего усилителя 5 непосредственно, буферный усилитель 7, входы которого соединены с выходами измерительного датчика 6, каналы 8 и 9 измерений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, сигнальные входы которых подключены к выходу буферного усштителя 7, а опорные - к выходам фазорасщепителя 2, и четыре полевых транзистора, причем затвор первоготранзистора 10 соединен с первым входом измерительного датчика 6,, а его исток - со стоком третьего транзистора 11 и прямым входом ус шителя 3 мощности, затвор второго транзистора 12 соединен с выходом усилителя 3 мощности, стоком четвертого транзистора 13 и инвертирующим входом усилителя 3 мощности, затвор четвертого транзистора 13 соединен с выходом фазорасщепителя 2, а затвор третьего транзистора 11 - с регулируемым источником -смещения . Измеритель электрических свойств горных пород и руд работает следующим образом. Задающий генератор 1 вырабатьгеает сигнал заданной частоты и подает его на вход фазорасщепителя 2. С выхода последнего на опорные входы каналов 8 и 9 измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления поступают опорные сигналы, сдвинутые друг относительно друга на 90, кроме того, сигнал о одного из выходов фазорасщепителя 2 поступает на затвор транзистора 13, ас его стока - на инвертирующий вход усилителя 3 мощности, где усиливается и через эталонный резистор 4 подается на первый вход измерительного датчика 6. Коэффициент усиления транзистора 13 определяется выражением К где 5 и крутизна второго 12 и четвертого 13 транзисторов . Коэффициент близок к единице и стабилен в широкополом интервале температур, особенно при использовании согласозанных пар транзисторов. Сигнал с первого входа измеритель ного датчика 6 через истоковый повто ритель, выполненный на транзисторе 1 с динa raчecкoй яаг|)узкой (транзистор 11), подается на лрямой вход усилите ля 3 мощности, образуя цепь положительной обратной связи. На инвертируювщй вход усилителя 3 мощности через истоковый повторитель выполненный на транзисторе 12 с динамической нагрузкой (транзистор 13), подается отрицательная обратная связь с выхода усилителя 3 мощности. Так как . коэффициенты передачи истоковых повторителей близки к едцшице, напряжение обратной связи, действующее между дифференцнальнцми входами у сипите ля 3 мощности, оказывается равным паденюо напряжения на эталонном резисторе 4 и на вход измерительного датчика 6 поступает ток стабильньй по амплитуде и фазе независимо от величины комплексного сЬпротивления датчика 6.. Дифференциальное напряжение на входе компенсирующего усилителя 5 пропорционально разности потенциалов между корпусом прибора и землей в месте его расположения, это напряжение усиливается компенсируияадм усилителем 5 и подается на второй вход измерительного датчика 6. При достаточно большом коэффициенте усиления компенсирующего усилителя 5 разность потенциалов между корпусе измерителя и землей в месте его расположения оказывается весьма малой, что способствует уменьшению влияния токов утечек, в частности емкостных, между корпусом измерителя и землей на Точность измерений. Сигнал с измерительного датчика поступает на входы дифференциального буферного усилителя 7, а с его выхода - на сигнальные входы каналов 8 и 9 измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, где соответствукщие составляющие измеряются и регистрируются. Коэффициенты усиления истоковык повторителей с динамической нагрузкойVO- 2.3«. где S крутизна транзистора; его внутреннее сопротивление, близки к единице и стабильны как при смене транзисторов, так и при изменении температуры. Для типовых разбросов параметров транзисторов S (5,2-1О,5) мА/В, R (70-200) КОм (транзистЬры типа КП305) разброс коэффициентов усиления истоковьк повторителей не превьваает 0,5%, а при регулировке крутизны транзисторов to н 11 изменением напряжения смещения на базе транзистора 11 либо при использовании согласовакрых пар транзисторов сишкается в 10-30 раз, практически не завися от температуры окружающей среды, что по сравненшо с прототипом заметно упрощает процедуру подстройки глубин положительной и от1 кцательной обратных связей и их поддержания в широком диапазоне температур окружакщей среды. Входное сопротивление истокового пс вторителя имеет емкостный характер и чрезвычайно высоко. Эквивалентная входная емкость повторителя рав ;:.,,.с,;(|.к„„) где Cjp - емкость затвор-сток транзистора;Cjy - емкость затвор-исток, и при обычных значениях параметров транзисторов Сз„ 0,7 пФ, Cjp 5 пФ йе превышает ,7 пФ. В результате выходное сопротивление усилителя мощности оказывается равным V что намного больше значения выходного сопротивления, достигаемого в прототипе. Верхняя граничная частота истоковых повторителей с динамической нагрузкой 21г(); : деСр и Сд - входная емкость усилителя мощности и паразитная емкость монтажа, составляет 80 мГц и, таким образом, в отличие от резистивной обратой связи в предлагаемом устройстве епи обратных связей не создают доолнительных Фазовых сдвигов, что овышает стабильность и устойчивость аботы усилителя мощности при охвате го глубокими обратными связями. 7 По сравнению с прототипом изобре тение позволяет в оК 1 30-100 | раз повысить выходное сопротивление усилителя мощности, работающего в режиме генератора стабильного тока, во столько же раз уменьшается погреш ность из-за влияния конечности его выходного сопротивления. При использовании в истоковьгх повторителях 28 согласованных пар транзисторов исключается необходимость подстройки глубин положительной и отрицательной обратных связей, надежно обеспечивается стабильность между соотношением положительной и отрицательной обратных связей в широком диапазоне температур. Кроме того, хорошие частотные свойства истоковых повторителей устраняют дополнительные фазовые сдвиги в цепях обратных связей, что обеспечивает устойчивость усилителя мощности.

ИЗМЕРИТЕЛЬ 3JlEKtPIWECKHX Свойств ГОРНЫХ ПОРОД И РУД, содержациЙ задающий гёиёр атор и фазорвсщёлнтель, соединенные последо затёльно, усилитель мощности, эталонной резистор, измерительный датчик, первый вход которого соединен с выходом усилителя мощности через зтапонньй резистор, компенсирующий усилитель, инвертирующий вход которс о ааземлен, прямой вход соединен с корпусом прибора, а выход подюта)чён к второму входу измерительного датчика, буферный усилитель, входы которого подключены к выходам измерительного датчика, и каналы измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, сигнальные входы которых подктпочены к выходу буферного усилителя, а опорные - к выходам фазорасщепителя, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности Измерений, в него дополнительно введены полевых транзистора, причем первый и второй транзисторы включены по схемам истоковых повторителей и их затворы соединены соотЕ етственно с первым входом измерительного датчика и выходом усилителя мощности, а истоки - с прямым и инверсным входами усилителя мощности, третий и четвертый транзисторы включены Динамическими нагрузками, их стоки соединены с истоками первого и второготранзисторов, один из затворов подключен к выходу фазорасСП щепителя, а другой - к регулируемому ел источнику смещения. со 9 О