Устройство для измерения электропроводности и концентрации электронов нестационарной плазмы Советский патент 1985 года по МПК G01R27/26 

9:1 м

со

САЭ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для исследования электрофизических свойств газа в высокотемпературных газодинамических установках кратковременного действия.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапа|зона измерений путем одновременно|го измерения электропроводности и концентраций электронов нестационарной плазмы.

На чертеже представлена блоксхема устройства для измерения электропроводности и концентрации электронов нестационарной плазмы.

Устройство содержит автогенератор 1, измерительный контур 2 с управляющим элементом, амплитудный .детектор 3, блок 4 регистрации эталонной последовательности импуль сов (ЭПИ), импульсно-фазовый детектор 5, генератор 6 эталонного синала (ЭПИ), запоминающий конденсатор 7, фильтр 8 разностной частоты, усилитель 9 постоянного тока.

Вход амплитудного детектора 3 соединен с измерительным контуром 2 а выход - с первым входом блока 4 регистрации. Первый вход импульснофазового детектора 5 также соединен с измерительньЫ контуром 2, второй вход - с генератором 6 эталонного сигнала, а выход, нагруженный на запоминающий конденсатор 7, соединен с вторым входом блока 4 регистрации и с входом фильтра 8 разностной частоты, представляющего собой интегрально-дифференцирующее звено, выход которого соединен с входом усилителя 9 постоянного тока, выходом соединенного с управляющим элементом измерительного контура 2.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на вход импульснофазового детектора 5 эталонного сигнала с выхода генератора 6 на выходе детектора 5 вырабатываются короткие импульсы, амплитуда которых пропорциональна разности фаз меду колебанием измерительного контура 2 и поступакщим с генератора 6 эталонным сигналом. При поступлении на вход детектора 5 эталонного сигнала с постоянной начальной расстройкой Р„ ( ск относительно резонансной частоты контура 2, первая разность его фазы в промежутке между двумя импульсами задана и является постоянной величиной

.пи... (з

интервал между дискретгдеп ными значениями времерегулирования Tnj

а,2ГР,Тр относительная начальная расстройка.

Работа устройства основана на сравнении фаз колебаний измерительнго контура и эталонной последователности импульсов и установлении постоянной разности фаз этих колебаний имеющих одинаковые частоты, зависящей от расстройки измерительного (синхронизируемого) контура ;

Частота (синхронизируемого) контура выбирается равной частоте какой-либо гармоники эталонной последовательности импульсов. При этом длительность импульса эталонного сигнала настолько мала, что внутри импульса разность фаз сигнала и (синхронизируемого) контура является постоянной. При прохождении ударного фронта через индуктивный преобразователь (катушку контура 2) охватывающий движущийся проводник, в нем возникает магнитный поток (вихревые токи), который вызывает при комплексном изменении сопротивлений, вносимых в контур проводником, появление ЭДС электромагнитной индукции (сигнала).

При расстройке измерительного контура (при изменении его собственной частоты), разность фаз сравниваемых напряжений изменяется и импульсно-фазовый детектор 5 вырабатывает сигнал фазовой ошибки ( . Этот сигнал является последовательностью разности фаз напряжения (синхронизируемого) контура 2 и необходимой гармоники ЭПИ генератора в моменты дискретного времени.

Сформированный импульсный сигнал с выхода детектора 5 на время действия импульса подключается к запоминающему конденсатору 7, с помощью которого на выходе формируется сту:.пенчатое прямоугольное напряжение, которое через фильтр 8 и усилитель постоянного тока управляет частотой измерительного контура 2. Воз3

действуя на управляющий элемент, это напряжение изменяет резонансную частоту контура 2 в соответствии с законом вхО|ЦНого сигнала. По измеренным напряжениям на входе блока А регистрации определяют проводимость и и концентрацию

п- электронов плазмы по формулам о

ьн («o-oo RKN c|(Rrp/R,);

Шо 7 mjjfo 1

,,

е

(о ° е u77(Rrp/Rj

где Шр, е и fg - масса, заряд электрона и диэлектрическая постоянная соответственно; 0 - поправочный коэффициент;

УО собственная резонансная частота; Мд- магнитная проницаемость;

вносимое в контур активное сопротивление;

, радиусы границы потока и контура COO ветственно;

U0 - изменение собственной резонансной частоты измерительного контура.

При этом Гц, определяют из измен ния амплитуды напряжения на измерительном контуре при внесении плдз мы, а й(0 - из изменения на запоми- нающем конденсаторе в тот же момент времени.

При стабильности частоты ЭПИ 10 предлагаемое устройство обеспечивает точность синхронизации по частоте и фазе 0,05 град., что позволяет реализовать точность измерителя до 1-3%.

Сравнительные оценки и расчетные данные измеренных d и Пр с известными показывают, что при наибольшей относительной полосе захвата и начальной расстройке включенного блока синхронно-фазового следящего фильтра в реальном масштабе времени 1-2 мкс обеспечивается наименьшая дисперсия ошибок воспроизведения частоты и фазы d, и бД , которые не превышают величиТ СК .

ны о,1 рад.

675334

При относительной нестабильности частоты контура 2 Е, 10 отклонение резонансной частоты от равновесного и разности фаз от ((ста.н динамическая ошибка слежения (воспроизведения) составляет доли радиан б9$0,1 рад., или 12-13 град.

В результате повьш1ается частотная и фазовая стабильность измерительного контура в режиме синхронизма. Это позволяет снизить динамическую ошибку воспроизведения в 5-10 раз и Повысить точность измерителя до 1-3 по сравнению с 10-20% известноt5 го устройства.

Благодаря включению в измеритель новог о блока синхронно-фазового следящего фильтра в полосе удержания максимально возможного отклонения

20 частоты и фазы измерительного контура и и Дц 1 обеспечивается наилучшая фильтрация помех. При максимально допустимой амплитуде девиации фазы ошибка, обусловленная

25 действием помехи, при дискретной шумовой полосе д F J.3 3 кГц не превьшгает 0,1-0,15 рад., что снижает значение этих величин в 3-5 раз по сравнению с данными известных устройств.

Быстродействие измерителя сохраняется высоким ( мкс) . При этом обеспечивается наименьшая динамическая ошибка воспроизведения частоты и , фазы в режиме синхронизма (,1радД Это позволяет повысить помехоустойчивость и надежность измерителя в условиях воздействия электромагнитных помех, сопутствующих мощным импульс.,„ ным разрядам малой длительности

4

10 - 10 с, в 3-5 раз, что расширяет сферу применения измерителя и позволяет его использовать при исследовании электрофизических свойств 5 нестационарной плазмы с высоким : разрешением во времеКи.

Кроме того, поскольку для случая сильных ударных волн, когда степень ионизации велика, электропроводность

50 полностью ионизованной плазмы практически не зависит от концентрации электронов ng и пропорциональна Тд f, возможно использование данного измерителя, обеспечивающе55-го повьш1енную точность 1-3%, для определения Те и - - частоты упругих столкновений электронов с частицами (ионами).

УСгРОЙСТВО ДЛЯ ИЗЖРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ И КОНЦЕНТРАЩШ ЭЛЕКТРОНОВ НЕСТАЦИОНАРНОЙ 1ШАЗШ, содержащее индуктивный преобразователь, включенный в измерительный контур двухконтурной резонансной . системы автогенератора, амплитудный детектор, вход которого соединен с измерительным контуром, а выход - с блоком регистрации, о тличающееся тем, что, с целью повьшения точности и расширения диапазона измерений, между измерительным контуром и блоком регистрации включен блок синхроннофазового следящего фильтра, содержащий импульсно-фазовый детектор с запоминающим конденсатором на выходе, первый вход импульсно-фазового детектора соединен с измерительным контуром, второй вход с выходом генератора эталонного сигнала, а выход - с блоком регистрации и через последовательно соеди(Л ненные фильтр разностной частоты и усилитель постоянного тока - с управляющим элементом измерительного контура.