Емкостная накладная ячейка для измерения диэлектрических характеристик материалов Советский патент 1986 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к контролю физических параметров, а именно к неразрушающе1 1у контролю диэлектрических характеристик твердых неметаллических характеристик твердых неме- таллических изделий.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет увеличения рабочей емкости накладной ячейки при сохранении или уменьшении относи- тельной чувствительности к контакт- ,HbJM условиям с контролируемым изделием

На фиг.1 изображена емкостная накладная ячейка с несимметричным расположением электродов; на фиг.2 - то же, с симметричным расположением электродов; на фиг.З - зависимости емкости на единицу длины математической модели емкостной накладной ячейки, изображенной на фиг.2, от ве- личины воздушного зазора h меж,цу поверхностью емкостной накладной ячейки и поверхностью изделия.

. Емкостная накладная ячейка для измерения диэлектрических характеристик материалов содержит высокопотенциальный рабочий электрод 1, дополнитель- ньй электрод 2j низкопотенциальный рабочий электрод 3 и конвертор 4 отрицательного сопротивления по напря- жению. Исследуемое изделие 5 находится в непосредственной близости к электродам. Ячейка содержит также входные зажимы 6 и 7 конвертора отрицательного сопротивления по напря:- жению, одновременно являкяциеся выводами емкостной накладной ячейки,подключаемые к измерительному устройству операционный усилитель 8 и резисторы 9 и 10 обратной связи. Симметрич- ное выполнение ячейки (фиг,2) более предпочтительно, так как устраняется паразитная емкость между высокопотенциальным рабочим электродом 1 и механической конструкцией, электрически соединяемой с низкопотенциальным рабочим электродом 3.

Конвертором отрицательного сопротивления по напряжению является такой конвертор отрицательного сопротивления, у которого выполнены следующие соотношения:

1

2

1,

Vc, , ,

-входной ток;

-вькодной ток;

(1) (2)

55

VP - напряжение на входных за сг

ясимах;

напряжение на вьпходных за- ясимах;

, - коэффициент преобразования. Тогда для конвертора 4 отрицательного сопротивления по напряжению имеет силу зависимость

Y9. Zj,

(3)

где Z. - сопротивление нагрузки,

подключаемое к выходным зажимам ;

Zj, - входное сопротивление (сопротивление, действующее на входных зажимах).

Таким образом, коэффициент преоб- разования - функциональнЪм пара- метр, связывающий в конверторе 4 отрицательного сопротивления по напряжению величину сопротивления нагрузк Z и входное сопротивление причем, ., величина отрицательная, т.е. входное сопротивление Z имеет противоположный знак, чем Zj, а модуль Zc определяется величиной коэффициента преобразования К .

Конвертором 4 отрицательного сопротивления по напряжению создается дополнительное электрическое поле между высокопотенциальным рабочим 1 и дополнительным 2 электродами противоположного направления по отношению к электрическому полю между высоко- потенциапьным 1 и низкопотенциальным рабочими электродами. Действие электрического поля между высокопотенциальным 1 рабочим и дополнительным 2 электродами характеризуется сопротивлением Z|, подключенным к выходным зажимам конвертора 4 отрицательного сопротивления по напряжению. Действи электрического поля между высокопотенциальным 1 и низкопотенциальным 3 рабочими электродами характеризуется сопротивлением Zg, подключенным к входным зажимам 6 и 7, т.е. на входных зажимах 6 и 7 конвертор 4 отрицательного сопротивления по напряжению ведет себя как параллельное включение сопротивлений 7 и Z,,.Учитывая, что Zj отрицательное, и переходя к проводимостям, получают

Y Y - Y

o с

(4)

где Y - суммарная проводимость между входными зажимами конвертора

отрицательного сопротивления

по напряжению.

Длина силовых линий, образующих Z( (YI ) и Zg (YO ) различна, следовательно при изменении воздушного зазора h проводимости YP и Ч будут иметь различные изменения:

iXo- ф

9h

ЭХь. аь

(5)

При измерении реальной части относительной диэлектрической проницаемости проводимости Уд и Yf заменяются соответствующими емкостями:

ЗСв ЗСь

3h

(6)

Подбором значения коэффициента K(j можно добиться.

(7)

преобразования

чтобы

о Со аСс

3h 3h где Ср .

Таким образом, можно получить компенсацию влияния воздушного зазора h при измерении peaJгьнoй части относи- тельной диэлектрической проницаемост Подобным образом можно получить и компенсацию влияния воздушного зазора h при измерении мнимой составляющей относительно диэлектрической про-- ницаемости. В таком случае, емкости в вьфажениях (6) и (7) заменяются на соответствующие активные проводимост

Конвертор 4 отрицательного сопротивления по напряжению реализован на неинвертирукядем усилителе, состоящем из операционного усилителя 8 и резисторов 9 и 10 обратной связи. Для такой реализации коэффициент преобразования К

пс

Кпс. где R,

(8)

равен

Ri+Rz R

- сопротивление резистора 9, подключенного между выходом

o

5

0

5

и инвертирующим входом операционного усилителя 8j Rj - сопротивление резистора 10, подключенного между инвертирующим входом операционного усилителя 8 и общей шиной.

На фиг,3 кривые 11 и 12 представляют зависимости емкости математической модели емкостной накладной ячейки на длину электродов 1 м от вели- . чины воздушного зазора h при компенсации его влияния (К, -0,4) для величин реальной части относительной диэлектрической проницаемости изделия 2,5 и 4,5 соответственно. Кривые 13 и 14 показывают соответствующие зависимости для известной ячейки с теми же геометрическими размерами электродов, К эивые 11 и 14 на фиг.З получены расчетным путем на ЭВМ численным решением интегральных уравнений методом Крылова-Боголюбова,

Формула изобретения

Емкостная накладная ячейка для измерения диэлектрических характеристик материалов, содержащая высоко- потенциальный и низкопотенциальный рабочие электроды, размещенные в одной плоскости, и расположенный между ними дополнительный электрод, отличающаяся тем, что, с целью повьш1ения точности измерений, в нее.введен конвертор отрицатель- .ного сопротивления по напряжению, первый входной зажим и первый выходной зажим которого подключены к высокопо- тенциальному рабочему электроду, второй входной зажим подключен к низкопотенциальному рабочему электроду, а второй выходной зажим - к дополнительному электроду.

ССа Ф/н

W aj

Изобретение относится к контролю физических параметров, в частности к области неразрушаемого контроля диэлектрических характеристик твердых неметаллических изделий. Цель изобретения - повышение точности кз- мерений. Это достигается путем увеличения рабочей емкости накладной ячейки при сохранении или уменьшении относительной чувствительности к контактным условиям с контролируемым изделием. Предлагаемая ячейка содержит рабочие электроды 1 и 3, дополнительный электрод 2, конвертор 4 отрицательного сопротивления по напряжению, входные зажимы 6 и 7.. Исследуемое изделие 5 находится в непосредственной близости к электродам. Измерительное устройство содержит операционный усилитель 8, реэисто- ры 9 и 10 обратной связи. В описании изобретения показан второй вариант выполнения емкостной накладной ячейки с симметричным расположением электродов. 3 ил. § сл

Редактор Н.Яцола

Составитель В.Стукан Техред Л.Олейник

Заказ 2126/43 Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор А.Тяско