Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов Советский патент 1986 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для измерения подверженных быстрым изменениям, действительной и мнимой составляющих диэлектричес-г кой проницаемости ве1честв в различном агрегатном состоянии, I

I Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет, обеспечения одновременного измерения действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости.

Введение двух квадраторов, первого блока вычитания напряжений и блока извлечения квадратного корня позволяет из напряжения с выхода первого квадратора, пропорционального квадрату амплитуды высокочастотного напряжения на измерительном контуре, и напряжения с выхода второго делителя напряжений, npouop ционального действительной составляющей f . диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего емкостный датчик, формировать напряжение на входе блока извлечения квадратного корня, пропорциональное кварату эквивалентной проводимости нагруженного колебательного контура.

Введение источника опорного напряжения и второго блока вычитания позволяет вьщелять из напряжения на выходе блока извлечения квадратного корня напряжение, пропорционал ное мнимой составляющей - диэлектрической проницаемости вещества,

заполняющего емкостный датчик5 исключая проводимость, эквивалентную собственным потерям в элеметнах нагруженного колебательного контурао Напряжение на выходе второго блока вычитания является мерой мнимой составляющей t диэлектрической проницаемости.

Введение связи входа источника опорного напряжения с дополнительным выходом высокочастотного генератора дополнительно повышает точност измерения за счет исключения погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды генератора.

На чертеже изображена блок- схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит высокочастотный генератор 1 , езистор 2 связи, емкостный датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варика

5

0

5

пы 5, модулятор 6, демодулятор 7, амплитудный детектор 8, делители 9- 11 напряжений, квадраторы 12 и 13, блоки 14 и 15 вычитанияi блок 1б извлечения, квадратного корня и источник 17 опорного напряжения.

С измерительным контуром, содер- жаищм катушку 4 индуктивности, емкостный датчик 3 и модулир пющие варикапы 5, связаны входы демодулятора 7 и амплитудного детектора 8 ,и через резистор 2 выход высокочастотного генератора 1. Выход амплитудного детектора 8 соединен с входом

5 первого квадратора 12 и входом знаменателя второго делителя 10 напряжений, вход числителя которог о связан с выходом, первого делителя 9 напряжений. Вход числителя делителя 9 напряжений подключен к выходу демодулятора 7, а вход знаменателя - к выходу квадратора 12 и входу знаменателя третьего делителя 11 напряжений. Входы первого блока 14 вычитания напрялсений соединены с выходами третьего делителя 11 и второго квадратора 13, вход которого подключен к выходу второго делителя 10„ Выход первого блока 14 зычитакия через блок 16 извлечения квадратного корня связан с первым входом второго блока 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника 17 опорного напряжения.

Выходом устройства по мнимой составляющей диэлектрической проницаемости является второго блока 15 вычитания напряжений, а

0 выходом по действительной & состав- ляюшей диэлектрической проницаемости выход второго делителя 10.

Устройство работает следующим образом.

5 С высокочастотного генератора 1 через резистор 2 связи напряжение поступает на измерительный LC -контур. Аналитически амплитуда напряжения и на контуре определяется мо0 ДУЛем коэффициента передачи А, являющегося функцией параметров измерительной схемы,, в т.ч. емкости контура и проводимости, эквивалент- ной потерям в исследуемой пробе,

5 .заполняющей емкостный датчик. -З, т.е.

0

А-и

,

где 2- - полное сопротивление измерительного контура; Rj - сопротивление резистора 2

связи,

Е - амплитуда ЭДС генератора, или

A--(1.R,,4((-uJ4c). (

где la. - индуктивность катушки 4; С - полная емкость контура,

равная сумме.ёмкостей датчика 3 и модулирующих варикапов 5.

Модулятор 6 периодически изменяет емкость варикапов 5 на величину Cfj, . Вследствие зависимости величины А от величины емкости модулирующих варикапов 5 высокочастотное напряжение на контуре модулируется по амплитуде. Демодулятором 7 выделяется- низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном контуре. Если изменение м емкости модулирующих варикапов 5 удовлетворяет условию ff/i , то амплитуда модуляции вы- сокочастотного напряжения на контуре пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи.

U,, (3)

Первая производная модуля А по емкости (крутизна резонансной характеристики) определяется вьфажениём

dA

. dc Ь или

JA ,г/

-R,A

dc

- cJЧCp-c) CM

где Гр - значение емкости контура,

соответствующее резонансу. Из уравнений (1), (3) и (4) получаем выражение, связывающее отклонение ДС емкости контура резонансного значения с напряжениями на выходах демодулятора 7 U и амплитудного детектора 8 U ;

AC.Cp-C.SС5)

;е S - крутизна преобразования

„ Е

(6)

.

С выхода амплитудного детектора напряжение через квадратор 12

поступает на вход знаменателя делителя 9 Напряжений, на вход числителя которого приходит напряжение UM с выхода демодулятора 7. С выхода

делителя 9 напряжений напряжение, пропорциональное отношению /ц, поступает на вход числителя делителя 10 напряжений, на второй вход которого подается напряжение с выхода

амплитудного детектора 8. В результате на выходе делителя 10 в соответствии с уравнением (5) формируется напряжение, пропорциональное отклонению емкости контура

от резонансного значения. Если при незаполненном датчике контур настроить в резонанс, то после заполнения датчика напряжение на выходе делителя 10 будет пропорционально величине ( 1), где - действительная часть диэлектрической проницаемости исследуемой пробы.

Уравнение (2) можно записать в виде

p 0-f xl -- 4crp-c)V.S(Т)

откуда

( «

Далее с учетом выражения (5) получаем аналитическое выражение для проводимости ij , эквивалентной потерям в исследуемом образце

d -,-1--Е - г/5-)1

IX VR;I иг i- -QT-y .

С9)

Сигнал, пропорциональный 0 ,

формируется следующим образом.

Выходное напряжение квадратора 12 поступает на вход знаменателя де-ии- теля 11 и далее на суммирующий вход блока 14 вычитания. Выходное напряжение делителя 10, пропорциональное U|,/ljS , через квадратор 13 поступает на вычитающий вход блока 14. В результате на выходе блока 14 вычитания формируется сигнал, пропорциональный подкоренному выражению формулы (9), который через блок.16 извлечения корня квадратного поступает на первый вход второго блока 15 вычитания напряжений, второй

вход которого связан с источником 17 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения регулируется по отсутствию напряжения на выходе

блока 15 при пустом емкостном датчике 3. В результате на выходе блока 15 в соответствии с уравнением (9) формируется напряжение, пропорциональное проводимости х , эквивалентной потерям в исследуемой пробе.

Учитывая, что мнимая составляющая диэлектрической проницаемости связана с проводимостью х

соотношением

с х . С- иэсТ

где С - ра12050696

оочая емкость датчика 3, то при неизменных частоте генератора и рабочей емкости датчика 3 выход блока 15 может быть проградуирован в 5 значениях мнимой составляющей диэлектрической проницаемости,

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет наряду с действительной составляющей Е измерять 10 и мнимую составляющую Д при сохранении высокой точности и быстродействии.

..,

Редактор А.Лелшина

Составитель В.Стукай Техред С.Мигунова

Заказ 8523/47 Тираж 747Подписное

ВНИИПИ Гси ударственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д„ 4/5

Филиал ПГШ Патент, г. Ужгородj, ул. Проектная, 4

Корректор Г,Решетник