Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

1U

Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано при создании чувствительных емкостных датчиков, измерителей активного, ре- активного и полного сопротивлений, измерителей параметров конденсаторов.

Цель изобретения - повьшение чувствительности измерителя диэлектри- ческих параметров материалов. На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры, по поясняющие последовательность во вре времени процессов, происходящих в устройстве; на фиг. 3 - эпюры, няющие устранение помех, возникающих в процессе работы коммутатора; на фиг. 4 - блок-схема блока импульсных команд; на фиг. 5 - эпюры, поясняющие работу блока импульсных команд.

Основным узлом устройства является измерительный мост 1, Два плеча этого моста образованы элементами 2 и 3, имеющими одинаковые комплексные сопротивления, В качестве таких элементов могут быть использованы, например, два одинаковых конденсатора или две одинаковые катушки индуктив- ности. Третье плечо моста состоит из переменного резистора 4 и переменного конденсатора 5. В четвертое плечо моста с помощью коммутатора подключается либо измерительный конденса- тор 6, либо эталонный конденсатор 7.. Помимо измерительного моста 1 устройство содержит коммутатор 8, блок 9 импульсных команд, генератор 10 высокой частоты, амплитудный модулятор , 11, усилитель 12 высокой частоты, фазовые детекторы 13 и 14, фазовращатели 15 и 16, усилители 17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19 и 20 и регистраторы 2 к 22.

Устройство работает следующим образом.

В одно и то же плечо моста 1 с помощью коммутатора 8 поочередно и на равные промежутки времени подключаются либо измерительный конденсатор 6, либо эталонный конденсатор 7. Коммутатор 8 управляется импульсами напряжения, поступающими от блока 9 им- пульсньгх команд. Форма импульсов напряжения, управляющих работой коммутатора, показана на эпюре I (фиг,2). Каждая эпюра (фиг. 2 и 5) показывл15

25

U22

5

10

; 35 45

Qet132

ет зависимость напряжения.от времени. Эти импульсы имеют прямоугольную форму и скважность, равную двум. Во время действия управляющего импульса коммутатор подключает к мосту измери- тегьный конденсатор, во время паузы между импульсам коммутатор подключает к измерительному мосту эталонный конденсатор. Высокочастотное напряжение, питающее измерительный мост, поступает от генератора 10 высокой частоты через амплитудный модулятор 11, Последний управляется импульсами, поступающими от блока 9 импульсных команд, и осуществляет стопроцентную амплитудную модуляцию.

Форма импульсов, управляющих модулятором, показана на эпюре II (фиг. 2). Частота следования импульсов, управляющих модулятором, вдвое, выше частоты импульсов, управляющих работой коммутатора. Относительное . положение во времени, импульсов, управляющих коммутатором и модулятором, таково, что процесс переключения из- мерительного и эталонного конденсаторов совершается во время паузы между импульсами, управляющими модулятором, т.е. в те интервалы времени, когда высокочастотное напряжение на измерительный мост не подается. Длительность этой паузы выбирается достаточной для .того, чтобы процесс переключения кoм yтaтopa полностью завершился за время паузы.

Таким образом, благодаря использованию амплитудного модулятора и согласованию работы амплитудного модулятора и коммутатора, высокочастотное напряжение подается на измерительный мост только в те интервалы времени, когда никаких переключений в схеме моста не происходит, Когда происходит переключение измерительного и эталонного конденсаторов, высокочастотное напряжение к измерительному мосту не подается. Это позволяет избавиться от мощного импульса помех, возникающего в известных устройствах в процессе пере ключения коммутатора.

Эпюры (фиг, 3) показывают зависи мость амплитуды колебаний от времени. На эпюрах I и II (фиг, 3) показаны соответственно графики изменения во времени амплитуды высокочастотного напряжения, питающего мост, и напряжения на выходе моста в из31

вестных устройствах, не использующих амплитудный модулятор. В отсутствие модулятора высокочастотное шпряже- ние, питающее измерительный мост, подводится к нему непрерывно. Поэто- му на эпюре I (фиг. 3) график зависимости от времени амплитуды напряжения, питающего мост, представляет собой прямую линию.

Как отмечалось, время переключе- ния коммутатора имеет конечную величину. В течение этого времени в зависимости от конструкции коммутатора к измерительному мосту либо не подключен ни измерительный, ни эта- лонный конденсаторы, либо подключены оба. В обоих случаях во время переключения происходит сильное нарушение баланса моста, из-за чего амплитуда напряжения на выходе моста резко увеличивается. При этом формируется мощный импульс помех. Эти импульсы помех обозначены на эпюре II (фиг. 3) буквами Q , Импульсы помех вызывают кратковременную перегрузку измерительного тракта и интенсивные переходные процессы как в измерительном мосту, так и в узлах устройства, следующих за измерительным мостом. Переходные процессы обозначены на эпюре II (фиг. 3) буквами S , Только по окончании переходных процессов амплитуда колебаний на выходе моста принимает значение, соответствующее параметрам конденсатора, подключен- ного к мосту. Поскольку импульсы помех имеют большую величину, то переходные процессы, следующие за импульсами помех, имеют высокую интенсивность и значительную продолжитель- ность.

Иное положение при использовании модулятора. На эпюрах III и IV (фиг. 3) показаны соответственно гр фикй изменения во времени амплитуды высокочастотного- напряжения, питающего мост, и напряжения на выходе моста при использовании амплитудного модулятора. Зависимость от време ни амплитуды напряжения, питающего измерительный мост, при использовании модулятора имеет такой же вид, как и импульсы, управляющие работой модулятора, показанные на эпюре.II (фиг. 2). При использовании модулятора высокочастотное напряжение отключается от измерительного моста в течение всего времени переключения

134

коммутатора. Поэтому кратковременный хотя и сильный разбаланс моста во время переключения коммутатора не может вызвать появления напряжения на выходе моста. Вследствие этого мощный импульс помех, который без но- дулятора формируется во время переключения коммутатора, теперь отсутствует, а напяжение на выходе моста во время переключения коммутатора равно нулю.

Уменьшение выходного напряжения измерительного моста до нуля перед переключением коммутатора, и увели- чение выходного напряжения измерительного моста до стационарного значения после переключения коммутатора сопровождаются переходными процессами, обозначенными на эпюре IV (фиг.3) буквами Ь . Однако интенсивность переходных процессов при использовании модулятора существенно меньше интенсивности переходных процессов в отсутствие модулятора, обозначенных буквами S на эпюре II (фиг. 3).

Снижение интенсивности переходных процессов при использовании модулятора обусловлено тем, что в этом случае пределы изменения амплитуды колебаний на выходе моста во время переходного процесса оказываются намного меньше, чем пределы изменения ампли- туДы во время переключения коммутатора без использования модулятора. Это объясняется тем, что при использовании модулятора амплитуда колебаний на выходе моста во время переходного процесса увеличивается от нуля до стационарного значения, соответствующего разбаЛансу моста при условии, что к нему подключен какой-либо один кЬнденсатор: либо эталонный, либо измерительный. В обоих случаях при проведении измерений мост приблизительно сбалансирован и амплитуда ния на выходе моста оказывается намного меньше, чем при переключении -коммутатора в отсутствие модулятора, когда разбаланс моста имеет очень большую величину, так как к нему либо не подключен ни измерительный, ни эталонный конденсаторы, либо подключе ны одновременно оба конденсатора .

Из-за меньшей интенсивности переходных процессов при использовании модулятора должно быть меньше и время затухания переходного процесса до пренебрежимо малого уровня.

513022

Таким образом, использование модулятора дает два преимущества: во- первых, устраняется мощный импульс помех, обусловленный кратковременным, но сильным разбалансом моста 5 во время переключения коммутатора, и, во-вторых, сокращается интервал времени, в течение которого переходные процессы, сопровождающие нарас- тание и спад амплитуды колебаний на О выходе моста, имеют существенную интенсивность. Последнее обстоятельство облегчает устранение помех от переходных процессов. Эти помехи устраняются при синхронном детектирова- 5

НИИ.

Напряжение с выхода измерительного моста поступает на усилитель 12 высокой частоты, а затем подается на два фазовых детектора 13 и 14. 20 Опорное напряжение на управляющие входы фазовых детекторов подается от генератора 10 через фазовращатеи 15 и 16. Сдвиги фаз, вносимые фазовращателями 15 и 16, подбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе одного фазового детектора,- например 13, было пропорционально разности реактивных сопротивлений эталонного и измерительного конден- -30 саторов, а выходное напряжение второго фазового детектора 14 пропорци онально разности активных сопротивлений.

Выходные напряжения фазовых детекторов усиливаются усилителями 17 и 18 низкой частоты, и поступают на синхронные детекторы 19 и 20. При синхронном детектировании устраня- 0 тся помехи от переходных процессов, сопровождаюш их нарастание и спад амплитуды колебаний на выходе измерительного моста. С этой целью блок мпул.ьсных команд вырабатывает спе. 45 циальные импульсы напряжения, управяющие работой ключей синхронных детекторов. Форма этих импульсов показана на эпюрах III и IV (фиг. 2). Эти импульсы следуют с частотой ком- 50 утации измерительного и эталонного онденсаторов. Импульсы, управляющие инхронным детектором, начинаются озже импульсов, управляющих модулятором, а заканчиваются раньше пос- 55 ледних.Благодаря этому синхронные детекторы подключаются к усилителям низкой частоты после .того, как пе- рехопные процессы, вызванные увели136

чением амплитуды высокочастотного напряжения от нуля до стационарного значения, затухнут, а отключаются от усилителей низкой частоты до того, как начнутся переходные процессы, вызванные уменьшением амплитуды высокочастотного напряжения перед очередным переключением измерительного и эталонного конденсаторов. Это можно сделать благодаря тому, что использование амплитудного модулятора позволяет сильно уменьшить интенсивность переходных процессов и тем самым сократить время их затухания до пренебрежимо малой величины.

Подключение синхронных детекторов к усилителям низкой частоты только в те интервалы времени, когда переходные процессы затухли и не могут повлиять на результат измерения, позволяет устранить помехи от переходны процессов и тем самым повысить чувствительность и точность измерений. Напряжение с выхода синхронных детекторов подается на регистраторы 21 и 22.

Блок 9 импульсных команд (фиг. 4) состоит из мультивибратора 23, триггера 24, выходной клеммы 25, интегратора 26, компаратора 27, входной клеммы 28, элементов 2И 29 и 30, выходных клемм 31 и 32, компаратора 33 входной клеммы 34 компаратора и выходной клеммы 35.

Блок импульсных команд работает следующим образом. Мультивибратор 23 вырабатывает прямоугольные импульсы, форма которых показана на эпюре I (фиг. 5). Эти импульсы поступают на триггер 24. Форма импульсов напряжения на выходах триггера показана на эпюрах II и III (фиг. 5). Напряжение с первого выхода триггера 24 подается на выходную клемму 25 и используется для управления коммутацией измерительного и эталонного конденсаторов.

Напряжение с выхода мультивибратора 23 подается на вход интегратора 26. Форма напряжения на выходе инI тегратора показана на эпюре IV (фиг. 5). Это напряжение подается на один из входов компаратора 27., На другой вход (клемма 28) компаратора 27 подается постоянное по величине напряжение Е. Напряжение на выходе компаратора 27 имеет вид прямоугольных импульсов. Фронты последних соответствуют моментам времени, в которые мгновенные значения пилообразного напряжения на выходе интегратора сравниваются с постоянным напряжением Е,. Форма напряжения на выходе компаратора 27 показана на эпюре V (фиг. 5). Длительность импульсов на выходе компаратора 27 можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения Е, . Импульсы напряжения с выхода компаратора 27 подаются на один из входов каждого из двух логических элементов 2И 29 и 30, осуществляющих логическую операцию 2И. На другие входы этих элементов подаются импульсы с выходов триггера 24, Форма импульсов напряжения на выходе логических элементов 2И 29 и 30 показана на эпюрах VI и VII (фиг. 5). Эти импульсы подаются на клеммы 31 и 32 и используются как опорное напряжение, управляющее синхронными детекторами.

Пилообразное напряжение с выхода интегратора .26 подается также на один из входов компаратора 33. На другой вход компаратора подается постоянное напряжение Е„. Форма импульсов напряжения на выходе компаратора 33 показана на эпюре VIII (фиг. 5). Импульсы с выхода компаратора 33 подаются на клемму 35 и служат для управления амплитудным модулятором. Необходимую длительность импульсов, управляющих работой синхронных детекторов и амплитудного модулятора, устанавливают, изменяя величины постоянных напряжений Е, и Ej на входных клеммах 28 и 34 компараторов 27 и 33.

Измерения с помощью устройства вьтолняются следующим образом. Измерительный конденсатор заполняется исследуемым веществом и подключается к прибору. В общем случае в начальный момент времени параметры измерительного и эталонного конденсаторов не равны, и мост разбалансиро- ван. Вследствие разбаланса моста и большого различия величин параметров измерительного и эталонного конденсаторов выходное напряжение моста может быть столь большим, что .какие-либо элементы измерительного тракта могут оказаться в насыщении. Для того, чтобы избежать этого, можно, например, уменьшить либо ампли022138

туду генератора 10 высокой частоты, либо коэффициент усиления усилителя 12 высокой частоты.

5 Предположим, что используется вторая возможность. В этом случае коэффициент усиления усилителя высокой частоты уменьшается до тех пор, пока показания регистраторов 21 и 22 не

10 начнут изменяться. Изменение показаний регистраторов означает, что сигналы на выходе синхронных детекторов зависят от коэффициента усиления измерительного тракта,.и, следователь15 но, последний не насыщен. Дальнейшая настройка прибора осуществляет- . ся методом последовательных прибли- жений. Параметры эталонного конденсатора подбираются таким образом,

20 чтобы напряжение, индицируемое регистраторами, стало небольшим, но не равным нулю, например, чтобы оно составляло десятую часть от максимальной величины, которую может индици25 ровать регистратор. Наличие напряжения на выходе измерительных каналов свидетельствует о том, что параметры измеряемого и эталонного конденсаторов не равны, и поэтому последо30 вательное замещение измеряемого и эталонного конденсаторов, осуществляемое коммутатором, сопродождает- ся модуляцией напряжения на выходе моста.

35

Затем, изменяя емкость переменного конденсатора 5 и сопротивление переменного резистора 4, образующих одно из плеч измерительного моста,

40 добиваются максимума показаний регистраторов на выходах измерительных каналов. Из теории мостовых схем известно, что изменение параметров деталей мостовой схемы вызывает наи4 большее изменение напряжения на выходе моста в том случае, если мост приблизительно сбалансирован. Поэтому, если изменять параметры переменного конденсатора 5 и переменного

0 резистора 4, образующих одно из плеч измерительного моста, наиболее глубокая модуляция напряжения на выходе моста, а значит и наибольшее напряжение, индицируемое регистратора14и,

55 будут соответствовать таким значениям емкости переменного конденсатора 5 и сопротивление переменного резистора 4, при которых мост приблизительно сбалансирован.

91

На этом заканчивается первое приближение к оптимальной настройке из- мерителього прибора. При этом обеспечивается приближенное равенство параметров измерительного и эталон- ного конденсаторов и приближенная балансировка моста. После окончания настройки в первом -приближении коэффициент усиления усилителя 12 высокой частоты немного увеличиваЬт и весь процесс настройки повторяется во втором приближении при увеличенном значении коэффициента усиления усилителя 12. Таким образом, постепенно увеличивая коэффициент усиле- /ПИЯ усилителя высокой частоты, доводят его до такого значения, которое необходимо для проведения измерений. Затем параметры эталонного конденсатора подбирают таким образом, что бы напряжение, индицируемое регистраторами, обратилось в нуль. Это ОЗ начает, что как емкости, так и активные сопротивления эталонного и измерительного конденсаторов совпа- дают.

Равенство параметров эталонного и измерительного конденсаторов фик-- сируется с наибольшей Точностью при

условии, что правильно установлены сдвиги фаз, вносимые фазовращателями 15 и 16.

Правщ1ьную установку сдвигов фаз, вносимых фазовращателями, можно, например, выполнить следуюгцим образом. Вместо измерительного конденсатора к прибору подключается какой- либо конденсатор с известными параметрами. Параметры эталонного кон- денсатора 7 устанавливаются равными параметрам подключенного конденсатора, и мост балансируется методом последовательных приближений, однако теперь балансировка осуществляется только за счет изменения переменного резистора 4 и конденсатора 5. Параметры эталонного конденсатора не изменяются. После того, как мост сбалансирован, нужно немного изме- нить емкость эталонного конденсатора 7. Из-за этого показания регистраторов станут отличаться от нуля. После этого следует изменять фазовые сдвиги фазовращателей 15 и 16, доби- ваясь того, чтобы показания одного регистратора стали максимальными, а второго - равными нулю. При такой настройке фазовращателей показания

0

0

0 я с

310

одного регистратора пропорциональны разности емкостей эталонного и измеряемого конденсаторов, а показания второго регистратора пропорциональны разности активных сопротивлений эталонного и измеряемого конденсаторов. Именно такая настройка фазовращателей и является оптимальной.

Таким образом, уменьшение до нуля высокочастотного напряжения, питающего измерительный мост, во время переключения измерительного и эталонного конденсаторов устраняет помехи, возникающие в процессе работы коммутатора. Подключение синхронных детекторов к выходу усилителей низкой частоты только в те интервалы времени, когда амплитуда высокочастотного напряжения на выходе измерительного моста не изменяется, исключает шумы, обусловленные переходными процессами, сопровождающими нарастание и спад амплитуды высокочастотного напряжения на выходе моста.

Формула изобретения

1.Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов, содержащее генератор высокой частоты, измерительный мост, коммутатор, усилитель высокой частоты и два измерительных канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фазового детектора, усилителя низкой частоты и регистратора, при этом управляющий вход каждого фазового детектора через соответствующий фазовращатель соединен с генератором высокой частоты, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения чувствительности, оно снаб- снабжено амплитудным модулятором и блоком импульсных команд, при этом выход амплитудного модулятора соединен с измерительным мостом, один вход - с генератором высокой частоты, а другой - с одним из выходов блока импульсных команд, три других выхода которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора и двух синхронных детекторов..

2.Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что блок импульсных команд содержит последовательно соединенные мультивибратор и триггер, выходы которого соединены с одними из входов двух элементов 2И,

II

другие входы которых соединены с выходом первого компаратора, а выход мультивибратора соединен с входом интегратора, выход которого соединен

t/.

: 3

и

1

VI ж

(/4

ff

А

: 302213

12

с одним из входов первого и второго компараторов, другие входы которых соединены с выходами источников постоянного напряжения.

VlLZ.t

Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано при созданрш чувствительных емкостных датчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений, измерителей параметров конденсаторов, Цель изобретения - повьшение чувствительности измерителя диэлектрических параметров материалов. Для достижения этой цели в устройство до-, полнительно введены амплитудный модулятор 11 и блок 9 импульсных команд. Устройство также содержит измерительный мост 1, два плеча которого образованы элементами 2 и 3, третье плечо - элементами 4 и 5. В четвертое плечо включается либо измерительный конденсатор 6, либо эта- лорный конденсатор 7. В устройстве имеются коммутатор 8,. генератор 10 высокой частоты, усилитель 12 высокой частоты, фазовые детекторы 13 и 14, фазовращатели, 15 и 16,усилители 17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19 и 20, регистратор 21 и 22. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л

Е

9

уГ

Y:r

V

Pli2.J

ел

Фиг. ft

и I

и ж

и

т

II I

1 I

1 I I

лп п п п п

«8.5