Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов Советский патент 1987 года по МПК G01N22/04 

t

Р зобретение относится к технике измерений на СВЧ и может использоваться для измерения почв бесконтактным методом.

Цель изобретения новьшение точности.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства для измерения параметров диэлектрических материалов.

Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов содержит автогенератор 1, приемопередающую антенну 2 сумматор 3, источник 4 опорного напряжения, первый и второй масштабные усилители 5 и 6, первый и второй компараторы 7 и 8 первую и вторую резисторные матриць. 9 и 10, первый и второй счетчики II и 12 такто вых импульсов, ключ 13 j формирователь 14, дешифратор 15, генератор 6 тактовых импульсов, индикатор П f а также кнопку 8 обнуления , ,

Устройство дЛя измерения параметров диэлектрических материалов работает следующим образом,

Электромагнитные колебания,, возбуждаемые автогенератором 1 ,, приемопередающая антенна 2 излучает перпендикулярно к поверхности почвы 19 и принимает после отражения от нее, В результате суперпозиции падающей и отраженной волн в прост- равенстве между приемопередающей антенной 2 и почвой 19 устанавливается стоячая волна напряженности электрического поля с характерным для нее чередованием максимумов и минимумов. Причем, действующее значение напряженности в экстремумах линейно связано с коэффициентом отр,ажения, а следовательно, с влажностью |Г| AW + В, где г коэффициент отражения; W - влажность; А и В - константы.

Изменения указанной напряженности преобразуются в изменения входного сопротивления приемопередающей антенны 2 со стороны высокочастотной ча.сти автогенератора 1 , а затем в пропорциональные изменения напряжения и в его низкочастотной части, При перемещении приемопередающей антенны по вертикали над поверхностью почвы 19 напряжение U, отра- .жая распределение поля в пространстве, проходят через максимумы и миниI2885f.22

мумы зависимости U(h)j колеблясь

10

15

относительно некоторого среднего чения Ug „ Посотеднее пропорциональ действующему значению напряженнос электрического поля излучаемой во ны и определяется при работе прие передающей антенны 2 в свободном пространстве в отсутствие, отражен Из-за температурных дрейфов па метров автогенератора 1 излучаем энергия несколько непостоянна, вс ствие чего значения U и, следова тельно, U(h) одновременно изменяю по случайному закону. Поэтому в у ройстве измеряется не одно, а два экстремальных значения напряжения максимум и минимум;

20

25

ЗС

40

45

50

55

и„ + С|г| J и„„„ и, - Dlr|,

где С и D - константы, а затем определяется разность (C+D)lrl,

макс

которая пропорциональна гI , а сл довательно, и W

Коэффициент пропорциональности находят при градуировке устройст Для обеспечения однозначности и м cиl iaльнoй чувствительности измере ний выбирают нижние экстремумы з висимости и(h) - наибольший макси и наименьший минимум.

Для выделения, запоминания и и дикации сигнала служит предлагае устройство, настройка которого за лючается в следующем.

Приемопередающую антенну 2 нап ляют в свободное пространство. Пр этом на выходе автогенератора 1 в никает напряжение U,,,. На выходе точника 4 устанавливают такое же ряжение. Разность напряжений авто нератора 1 и источника 4 определя ся сумматором 3 и в Момент наст ройки равна нулю, Следовательно, но кулю напряжение на выходе масш ных усилителей 5 и 6 и на инверти ющих входах компараторов 7 и 8, П ншкатии кнопки 18 счетчики 11 и 1 устанавливаются в нуль, на выходе резисторных матриц 9 и 10 и на ин вертирующих входах компараторов 7 8 напряжение также равно нулю. Сч чик 11, воздействуя на дешифратор устанавливает на индикатор 17 нап жение-, соответствующее цифровому лю, После проведения: указанных on

относительно некоторого среднего значения Ug „ Посотеднее пропорционально действующему значению напряженности электрического поля излучаемой волны и определяется при работе приемопередающей антенны 2 в свободном пространстве в отсутствие, отражений. Из-за температурных дрейфов параметров автогенератора 1 излучаемая энергия несколько непостоянна, вследствие чего значения U и, следовательно, U(h) одновременно изменяются по случайному закону. Поэтому в устройстве измеряется не одно, а два экстремальных значения напряжения - максимум и минимум;

и„ + С|г| J и„„„ и, - Dlr|,

где С и D - константы, а затем определяется разность (C+D)lrl,

макс

5

С

0

5

0

5

которая пропорциональна гI , а следовательно, и W

Коэффициент пропорциональности находят при градуировке устройства, Для обеспечения однозначности и мак- cиl iaльнoй чувствительности измерений выбирают нижние экстремумы зависимости и(h) - наибольший максимум и наименьший минимум.

Для выделения, запоминания и индикации сигнала служит предлагаемое устройство, настройка которого заключается в следующем.

Приемопередающую антенну 2 направляют в свободное пространство. При этом на выходе автогенератора 1 возникает напряжение U,,,. На выходе источника 4 устанавливают такое же напряжение. Разность напряжений автогенератора 1 и источника 4 определяется сумматором 3 и в Момент настройки равна нулю, Следовательно, равно кулю напряжение на выходе масштаб - ных усилителей 5 и 6 и на инвертирующих входах компараторов 7 и 8, При ншкатии кнопки 18 счетчики 11 и 12 устанавливаются в нуль, на выходе резисторных матриц 9 и 10 и на инвертирующих входах компараторов 7 и 8 напряжение также равно нулю. Счет-. чик 11, воздействуя на дешифратор 15, устанавливает на индикатор 17 напряжение-, соответствующее цифровому нулю, После проведения: указанных oneраций приемопередающую антенну 2 располагают в направлении к почве 19.

I

При перемещении приемопередающей антенны 2 по вертикали, например, вверх через первый минимум напряженности поля стоячей волны напряжение и автогенератора 1 становится меньше напряжения U источника 4, Напряжение

мума напряженности поля стоячей волны, приводит к увеличению U, уменьшению разности и и, уменьшению напряжения масштабного усилителя 5, поэтому остаются отключенным формирователь 14, генератор 16, счетчик 11, а на индикаторе I7 сохраняется запомненное значение, пропорциональное и„ - и.

мин ПР дальнейшем подъе- разности и - и, выделяемое суммато- JO ме растущее значение U достигает ром 3, положительно. Оно поступает ;на неинвертирующий вход масштабного усилителя 6 и на инвертируюш;ий вход масштабного усилителя 5, усиливается и поступает на инвертирующие входы |5 компараторов 7 и 8, где сравнивается с нулевыми напряжениями резистор- ных матриц 9 и 10 соответственно. Напряжение на масштабном усилителе 6

и о и начинает превышать его, Отри- дательное напряжение сумматора 3 U - и инвертируется масштабным усилителем 6, становится положительным и сравнивается в компараторе 8 с нулевым напряжением резисторной матрицы 10. Начинает работать второй измерительный канал, Поскольку напряжение масштабного усилителя 6 превыинвертируется, т.е. становится отри 20 шает напряжение резисторной матрицы . цательным,. заведомо меньшим нулевого JQ, компарат.ор 8 вкл очает формирователь 14, тот, в свою очередь, запускает генератор 16 и подает сигнал

напряжения резисторной матрицы 10, поэтому компаратор 8 сигнал не пропускает, напряжение на его выходе

равно нулю, второй канал не работает.25 информации. Одновременно компаратор Положительное напряжение на выходе g формирует сигнал, разрешающий клюзапрета дешифратору 15 на индикацию

30

чу 13 пропустить тактовые импульсы с генератора 16 на счетчик 12,

По мере счета напряжение на выходе резисторной матрицы 10 увеличивается и сравнивается с напряжением масштабного усилителя 6. Компаратор 8 через формирователь 14 останавливает генератор 16, счет прекращаетмасштабного усилителя 5 сравнивается с компаратором 7 с нулевым напря жением резисторной матрицы 9. На выходе компаратора 7 возникает напряжение, включается формирователь 14, который, в свою очередь, запускает генератор 16 на индикацию полученной информации.

Импульсы генератора 16 подсчитыва-35 ся, вклгочается индикация. Процесс

счетчиком 11 и поступают на де- продолжается.до тех пор, пока приемопередающая антенна 2 не пройдет через максимумы напряженности поля стоячей волны. В этом случае во вто- 40 ром канапе формируется максимальное значение, пропорциональное разности и, I;, , которое добавляется к значению, пропорциональному U - U сформированному в первом канале и 14, включается генератор 16, останав-45 запомненному дёшифрг тором 15, Коэф- ливается счетчик 1 1 и с фо-рмировате- фициенты усиления масштабных усили- ля 14 подается сигнал дешифратору 15 на индикацию полученной информации. Этот процесс возобновляется каждый раз, пока напряжение масштабного 50 усилителя 5 превьпчает напряжение реются

шифратор 15, а на выходе резисторной матрицы 9 напряжение увеличивается пропорционально количеству тактовых импульсов. Когда на входах компаратора 7 напряжение резистор- . ной матрицы 9 сравняется с напряжением масштабного усилителя 5, компаратор 7 отключает формирователь

телей 5 и 6 одинаковы, сгедователь- но, показания индикатора 17 пропорциональны разности и

макс

рая пропорциональна

- и.

котоз.исторной мaтpиIц I 9. При достижении V, разность Но - V достигает минимального значения, соответствующего максимальному значению напряжения резисторной матрицы 9 и показанию индикатора 17.

Дальнейшее перемещение приемопередающей антенны 2 вверх, вьшге минимума напряженности поля стоячей волны, приводит к увеличению U, уменьшению разности и и, уменьшению напряжения масштабного усилителя 5, поэтому остаются отключенным формирователь 14, генератор 16, счетчик 11, а на индикаторе I7 сохраняется запомненное значение, пропорциональное и„ - и.

мин ПР дальнейшем подъе- ме растущее значение U достигает

мин ПР дальнейшем подъе- ме растущее значение U достигает

и о и начинает превышать его, Отри- дательное напряжение сумматора 3 U - и инвертируется масштабным усилителем 6, становится положительным и сравнивается в компараторе 8 с нулевым напряжением резисторной матрицы 10. Начинает работать второй измерительный канал, Поскольку напряжение масштабного усилителя 6 превыинформации. Одновременно компаратор g формирует сигнал, разрешающий клюзапрета дешифратору 15 на индикацию

чу 13 пропустить тактовые импульсы с генератора 16 на счетчик 12,

По мере счета напряжение на выходе резисторной матрицы 10 увеличивается и сравнивается с напряжением масштабного усилителя 6. Компаратор 8 через формирователь 14 останавливает генератор 16, счет прекращается, вклгочается индикация. Процесс

продолжается.до тех пор, пока приемопередающая антенна 2 не пройдет через максимумы напряженности поля сточей волны. В этом случае во вто- ром канапе формируется максимальное значение, пропорциональное разности и, I;, , которое добавляется к значению, пропорциональному U - U формированному в первом канале и апомненному дёшифрг тором 15, Коэф- фициенты усиления масштабных усили-

телей 5 и 6 одинаковы, сгедователь- но, показания индикатора 17 пропорципродолжается.до тех пор, пока приемо передающая антенна 2 не пройдет через максимумы напряженности поля сто ячей волны. В этом случае во вто- ром канапе формируется максимальное значение, пропорциональное разности и, I;, , которое добавляется к значению, пропорциональному U - U сформированному в первом канале и запомненному дёшифрг тором 15, Коэф- фициенты усиления масштабных усили-

ональны разности и

макс

рая пропорциональна

- и.

коток энс мим

aW + b

где а и b - константы.

Дальнейшее перемещение в любом направлении через другие максимумы и минимумы поля стоячей волны не из меняет показаний индикатора 17, Константа b определяет начало отсчета, и регулируется коэффициентом усиления масштабных усилителей 5 и 6, Константа а характеризует чу нствитель ность устройства и регулируется коэффициентом усиления масштабных усилителей 5 и 6,

Формула язобре.тения

Устройство для измерения параметров диэлектрических материалов содержащее последовательно соединен- йые автогенератор и приемопередающую антенну, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, введены последо-- вательно соединенные источник опорного наггряжения, сумматор, ПЕФВЫЙ масштабный усилитель первый компаратор, формирователь, генератор такРедактор Н.Егорова

Составитель Ю Мамонтов Техред ЛоОлейник

Заказ 7800/41 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-355 Раушская наб, Де4/5

Производственно-полиграфическое предприятие., г Ужгород ул,Проектнаяj4

5

товьтк импульсов, ключ, -первый счетчик тактовых импульсов первая ре зисторная матрица и второй.компаратор,, выход которого подсоединен к входу формирователя, между выходом сумматора и вторым взсодом второго

компафатора введен второй масштаб- ньй усшт(ител1з5 -гежду выходом генератора тактовых гФ1пульсов и входом индикатора введены последовательно соединенные второй счетчик тактовых импульсов и дешифратор р запрещакяций вход которого соединен с выходом формирователя, между выходом второго счетчика тактовых импульсов к вто- рьм входом первого компаратора введена вторая резисторная матрица, при этом стробируювщй вкод ключа соеди- ,нен с выходом второго компаратора.

Корректор И.Муска