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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии.

Целью изобретения является повышение точности измерения диэлектрических параметров при одновременном упрощении устройства.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства для измерения диэлектрических параметров.

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостный датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варикапы 5, модулятор 6, демодулятор 7, амплитудные детев:торы 8 и 9, делители 10 и 11 напряжений, перемножитель 12, квадраторы 13 и 14, два блока 15 и 16 вычитания напряжений, блок 17 вычисления квадратного корня и источник 18 опорного напряжения. 1,

С измерительным контуром, содержащим катущку 4 индуктивности, емкостный датчик 3 и модулирующие варикапы 5, соединены входы, демодулятора 7 и первого амплитудного детектора 8, Вход второг.о амплитуДно- го детектора 9 соединен с выходом генератора 1, соединенным через ре- зистор 2 с измерительным контуром. Выхор первого амплитудного детекто- ра 8 соединен с первыми входами делтелей 10 и 11 напряжений, вторые входы которых соединены соответственно с выходом второго амплитудног детектора 9 и выходом демодулятора 7. Выход делителя 10 напрялсений через квадратор 13 соединен с первыми входами перемножителя 12 и первого блока 15 вычитание напряжений, втор вход которого через второй квадрато 14 соединен с выходом перемножителя 12, второй вход которого соединен с выходом делителя 11 напряжений. Выход первого блока 15-вычитания напряжений через блок 17 вычисления квадратного корня соединен с первым входом второго блока 16 вычитания напряжений, второй вход которого содинен с выходом регулируемого источника 18 опорного напряжения.

Выходом устройства по мнимой ( составляющей диэлектрической прони

цаемости является выход второго блока 16 вычитания напряжений.

Выходом, по действительной ( ) составляющей диэлектрической проницаемости является выход перемножителя 12.

Устройство для измерения диэлектрических параметров работает следующим образом.

С генератора 1 через резистор связи 2 напряжение поступает на измерительный LC-контур, образованный датчиком 3, катушкой 4 и варикапом 3. Аналитически амплитуда напряжения (V) на контуре определяется модулем коэффициента передачи (А), являющегося функцией параметров измерительной схемы, в том числе емкости контура и проводимости (gx), эквивалентной потерям в исследуемой пробе, заполняющей емкостный датчик 3, т.е.

д 1

Е / Z + К;

де Z - полное сопротивление измери1 тельного контура, RJ - сопротивление резистора 2

связиJ Е - амплитуда ЭДС генератора,

ли

А

( . 1 + R;gx) + f

2

-w4c If -i

GO L

где L - индуктивность катушки 4,

С - полная емкость контура, равная сумме емкостей датчика 3 и модулируюицих варикапов 5.

Модулятор 6 периодически изменяет емкость варикапов 5 на величину Сдд. Вследствие неравенства коэффициентов передачи измерительной схемы при двух значениях емкости модулирующих варикапов 5 высокочастотное напряжение на контуре модулируется по амплитуде. Демодулятором 7 вьщеляется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном контуре. Если изменение емкости модулирующих варикапов 5 удовлетворяет 1

условию Сд. «

то амплитуда модуco L - - - ляции высокочастотного напряжения на контуре пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи

V F с VM dC

(3)

Первая производная модуля коэффициента передачи по емкости (крутизна резонансной характеристики) определяется выражением

dA dC

1 - ы LC

R.2A3

или

dA dC

u4Cp - C)R.2A3,

(4)

где Су, - значение емкости контура,

соответствующее резонансу. Из уравнений (1),(3) и (4) получаем выражение, связывающее отклонение QC емкости контура от резонансного значения с напряжением на выходах демодулятора 7 V и амплитудных детекторов 8 и 9 V и Е соответственно

лс с, -с Р-,

(5)

где Р - коэффициент пропорциональности

Р

1

(6)

С выхода амплитудных детекторов 8 и 9 напряжения поступают на входы делителя 10 (Е - на вход числителя, V - на вход знаменателя). На выходе , делителя 10 формируется напряжение обратно пропорциональное модулю коэффициента передачи А. На выходе делителя 11 формируется напряжение, пропорциональное глубине амплитуд- ной модуляции . С выхода делителя 10 через квадр атор 13 напряжение поступает на первый вход п еремножите ля 12, на второй вход которого поступает напряжение с выхода делителя 11. В результате на выходе перемножителя 12 в соответствии с уравнением (5) формируется напряжение, пропорциональное отклонению ЛС (С - ,-С) емкости контура от резонансного значения. Если при незаполненном датчике контур настроить в резонанс, то после заполнения датчика напряжение на выходе перемножителя 12 будет пропор цюнально величине ( - - 1), где - действительная часть диэлектрической проницаемости исследуемой, пробы.

1277019„ 4

Уравнение (2) можно записать в виде

1

А2

(1 + RigJ +«40 Е2

- c)R1 1- .

(7)

откуда ,1

t ( - C)2(8)

С у четом (5) получаем аналитическое выражение для проводимости g, эквивалентной потерям в исследуемом образце:

J

R;

Сигнал, пропорциональный g , формируется следующим образом. Выходное напряжение квадратора 13 поступает на суммирующий вход блока 15 вычитания, выходное напряжение перемножителя 12, пропорциональное

V3

через квадратор 14 поступает на вычитающий вход блока 15. В результате на выходе блока 15 вычитания формируется сигнал, пропорциональный подкоренному выражению формулы (9), который через блок 17 вычисления квадратного корня поступает на первый вход второго блока 16 вычитания напряжений, второй вход которого связан ,с источником 18 опорного напряжения, ;Уровень опорного напряжения регулируется по отсутствию напряжения на выходе блока 16 при пустом емкостном датчике 3, В результате в соответствии с уравнением (9) формируется напряжение, пропорциональное проводимости g, эквивалентной потерям в исследуемом образце. Учитывая, что мнимая составляющая диэлектрической проницаемости связана с проводимостью gx соотношением

ф « «

- рабочая емкость датчика 3, при неизменных частоте генератора 1 и емкости датчика 3 выход усилителя блока 16 может быть прог- радуирован в значениях мнимой составляющей диэлектрической проницаемости .

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрических параметров, содержащее последовательно соединенные генератор высокой частоты, резистор связи и емкостный датчик, включенный в параллельный измерительный LC-контур с модулирующим элементом, модулятор, выход которого соединен с управляющим входом модулирующего элемента,первый амплитудный детектор,вход которого со динен с измерительным контуром, два делителя напряжений, первые входы которых соединены с выходом первого амплитудного детектора, демодулятор, выход которого соединен с вторым входом первого делителя напряжений, а вход - с измерительным контуром, два квадратора, блок вычисления квадратного корня, два блока вычитания напряжений и источник опорного

Редактор К.Волощук Заказ 6662/38

Составитель Н.Кринов

Техред В.Кадар КорректорА.Обручар

Тираж 728Подписное

ВНИИПР 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

770196

напряжения, выход которого соединен с одним из входов второго блока вычитания напряжений, второй вход которого через блок вычисления квадратно- с го корня соединен с выходом первого блока вычитания напряжений, один из входов которого связан с выходом первого квадратора, отличающееся тем, что, с целью повыше10 ния точности измерения диэлектрических параметров и упрощения устройства, в него введены второй амплитудный детектор и перемножитель, выход которого соединен с входом первого 15 квадратора, первый вход перемножителя соединен с выходом первого делителя напряжений, а второй вход - с вторым входом первого блока вычитания напряжений и выходом второго

20 квадратора, входы которого соединены с выходом второго делителя напряжений, второй вход которого связан с выходом второго амплитудного детектора, вход которого соединен с выхо5 дом генератора высокой частоты.

Изобретение относится к измерительной технике. Может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различных агрегатных состояниях. Целью изобретения является повышение точности измерения диэлектрических параметров при одновременном упрощении устройства. В устройство, содержащее генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостный датчик 3, модулятор 6j амплитудный детектор 8, делители 10, 11 напряжения, демодулятор 7, квадраторы 13, 14, блок 17 вычисления квадратного корня, . блоки 15, 16 вычитания напряжений, источник 18 опорного напряжения, модулирующие варикапы 5, катушку 4 индуктивности, для достижения цели введены амплитудный детектор 9, перемножитель 12 с соответствующими связями. При неизменных частоте генератора 11 и емкости датчика 3 выход усилителя блока 16 может быть прог- радуирован в значениях мнимой составляющей диэлектрической проницае- мости. 1 ил. с S 10 « Ю о 7