Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов Советский патент 1987 года по МПК G01R27/26 

1

Изобретение относится к радиотехническим измерениям и может использоваться для измерений време1 и релак сацйя д«| р 1ьных моментов, а также пapa jEtpbв %% в юлeкyляpнoгo взаимо,дейс/ ия. -г,.;.;

|te ||&обр.етения - повышение точно и и расширение функци- он; д;фдаК зможностей путем обеспече нрЯй измер ний дипольного момента мо- Л1екул.

/ 1 . 1. приведена структурная

ад ектрическая схема автоматического изм ерителя комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов; на фиг.2 - структурная электрическая схема решающего блока.

Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов содержит первый и второй СВЧ- генераторы 1 и 2, смеситель 3, два блока 4 и 5 автоматической подстройки частоты (А1Г-1) , три электрически управляемых аттенюатора 6-8, частотомер 9, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10, блок 11 задания исследуемого вещества, решаюищй блок 12, два блока 13 и А регулирования СВЧ-мощности, измеритель 15 отношений, блок 16 умножения, блок 17 задания коэффициентов, опорный резонатор 18, измерительный резонатор 19, первый и второй СВЧ-детекто- ры 20 и 21, блок 22 сравнения, индикатор 23, индикатор 24 времени релак сации, формирователь 25 управляющего сигнала, первьй и второй делители 26 и 27 мощности, первый и второй направленные ответвители 28 и 29, термостат 30.

Решающий блок 2 содержит первый, второй, третий и четвертый перемножители 31 - 34, сумматор 35 и блок 36 извлечения квадратного корня.

Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов работает следующим образом.

Формирование выходного сигнала по каналу измерения времени релаксации молекул осуществляется согласна формуле . д

,

где и й - приращения действительной и мнимой составляющих ди189372

электрической проницаемости раствора при введении в измерительный резонатор добавки исследуемого вещества; f - рабочая частота. 5 Формирование приращения , входящего в формулу (1), осуществляется на основе преобразования диэлектрическая проницаемость раствора частота резонатора в соответствии с 10

электродинамическим уравнением

Доч

(|)

(2)

в котором f и fg - частоты вакууми- рованного и заполненного раствором резо-натора соответственно.

Опорный и измерительный резонаторы 18 и 19, представляющие собой из- мери гельную ячейку, в исходном состоянии заполнены неполярным растворителем и имеют соответственно частоты oh иэм с помощью блоков АПЧ 4 и 5 частоты СВЧ-генераторов 1 и 2 непрерывно поддерживаются равными частотам соответствующих резонаторов 18 и 19. Частоты СВЧ-генераторов 1 и 2 подаются на смеситель 3, на котором выделяется разностная частота между резонаторами (f - f ). С учетом формулы (1),записываемой для опорного 18 и измерительного 19 резонаторов, можно получить (в приближении - fwjM fon

f иэ/л

С С

At- оц t ц}д

,т n. 2. Р

с -ОП

(3

где оп диэлектрическая проницаемость неполярного растворителя,

Поскольку частоты генераторов 1 и 2 равны частотам f и резонаторов 18 и 19, то на выходе смесителя 3 частота (f,, - f, ) несет информацию о разности диэлектрических

проницаемостей растворов в опорной и измерительной ячейках. В исходном состоянии, когда оба резонатора заполнены одним и тем же растворителем (т.е. 0), частоты резонаторов приблизительно равны. Введение в измерительный резонатор 19 добавки исследуемого вещества с помощью блока 11 приводит к изменению диэлектрической проницаемости раствора (iiE f 0), а вызванное этим изменение выходной частоты (д„ - f«.) является количественной меПЭЧ

рой ь в соответствии с формулой (3).

С выхода смесителя 3 сигнал подается на частотомер 9, на котором визуально отображается текущая разность частот (fon - иэм ). С выхода частотомера 9 сигнал поступает на ЦАП 10, с помощью которого формируется напряжение, пропорциональное приращению и принимаемое для решения уравнения (1) для tr . Сигнал с ЦАП 10 поступает на измеритель 15 отно-

ле

шений --г на второй вход которого

поступает сигнал блока 22, пропорциональный приращению мнимой составляющей диэлектрической проницаемости .л .

Формирование i осуществляется в соответствии с электродинамическим уравнением

б с 8767Q

(4)

где об - коэффициент поглощения среды в резонаторе; Q - добротность резонатора со средой .

Поскольку в предлагаемом устройстве применена дифференциальная схема измерения, поэтому, используя уравнение (4) для опорного и измерительного резонаторов 18 и 19, мож- но получить

с ОП

де -------- , (5)

где U ot - затухание СВЧ-мощности, выраженное в децибелах; Q - добротность измерительного резонатора в исходном состоянии.

В исходном состоянии, когда оба резонатора заполнены ,неполярным раст ворителем, добротности резонаторов приблизительно равны Qon, а напряжения на СВЧ-детекторах 20 и 21 устанавливаются одинаковыми. При введении в измерительный резонатор 19 добавки исследуемого вещества, вызывающего дополнительное по отношению к исходному состоянию поглощение СВЧ-мощности, на СЕЧ-детекторе 21 появляется приращение напряжения, которое является мерой приращения д в соответствии с (5).

Для обеспечения равномерности преобразования и - о(; в обоих каналах устройства применена стаби- лизация СВЧ-мощности, которой запиты ваются соответствующие резонаторы 18 и 19 с помощью направленных ответ в ителей 28 и 29, блоков 13 и 14 и

j10

t5

20

25

35

9

-.„

,- -, -

50

управляемых аттенюаторов 6 и 7. С их помощью осуществляется поддержание неизменных уровней мощности на входах резонаторов 18 и 19 в широких п.реде- лах изменения частот СВЧ-генераторов 1 и 2. Управляемый атт«йоатор 8 предназначен для компенсацй(; В К4{ощно- сти в СВЧ-тракте после бавки исследуемого вещестйй B fesMe-ч рительный резонатор 19, Он управляет ся напряжением, поступающим от фр,рми рователя 25. В исходном состояний, когда оба резонатора 18 и 19 заполнены неполярным растворителем, аттенюатор 8 имеет заданное начальное затухание (определяющее диапазон измерений по й), а соответствующее ему управляющее напряжение определяет ноль отсчета затуханий 4oi . Введение в измерительный резонатор 19 добавки вызывает разбаланс в схеме компенсации опорного и измерительного каналов и управляющее напряжение изменяет затухание аттенюатора 8 таким образом, чтобы восстановить равенство напряжений на входе блока 22 (т.е. восстановить равенство напряжений на СВЧ-детекторах 20 и 21). Изменение управляющего напряжения предварительно градуируется в единицах затухания об и поэтому оно является мерой текущего затухания и об в измерительном резонаторе 19 согласно уравнению (5). Управляющее напряжение подается на

1C „ л измеритель 15 отношении -:;-,-, на

i с

выходе которого формируется сигнал,

соответствующий величине --,-, кото-UC . ., .

рый подается на блок 16 умножения, где осуществляются умножение постоянного коэффициента (для заданного

uE растворителя) на отношение ,

а также согласование с индикатором 24. Выходной сигнал индикатора 24 выражен непосредственно в единицах времени релаксаций с и непрерывно отображает состояние системы в измерительном резонаторе 19.

Измерение дипольного момента молекул реализуется в решающем блоке 12 в соответствии с расчетной формулой

27кТ

Р

47Г(е, + 2) NC

(1

+ соЧ

Иг

.где К - постоянная Больцмана;

(6)

т - температура раствора; „ - диэлектрическая проницаемость растворитеNn ля;

задаваемое количество молекул исследуемого вещества в единице объема; - приращение диэлектри- /ческой проницаемости раствора, обусловленное введением заданного количества молекул NO , 03 - 2 nf.

Вместе с информацией и б на входы решающего блока 12 поступают напряжения с блока 17 задания коэффициентов - величины Т и N и, которые при постановке и проведении эксперимента могут в некоторых пределах варьироваться. Сюда же поступает сигнал с блока 16 умножения, который в уравнении (6) представляется как , поправка (I+сл с;) . С выхода решающего блока 12 сигнал подается на индикатор 23, индицирующий результат в единицах дипольного момента Р (в Дебаях).

Формула, и. зобретения

1. Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генераторы, первый делитель мощности, опорный резонатор и первый СВЧ-детектор, измеритель отношений, последовательно соединенные измерительный резонатор и второй СВЧ-детектор, индикатор времени релаксации, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений и расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерений дипольного момента молекул к второму выходу первого делителя мощности подключены последовательно соединенные смеситель, частотомер и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом измерителя отношений, введены последовательно соединенные второй СВЧ- генератор, второй делитель мощности и управляемый аттенюатор выход кото

10

, , 3189376

соединен с входом измерительТюго резонатора, между выходом первого СВЧ-детектора и управляющим входом управляемого аттенюатора введены последовательно соединенные блок сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго СВЧ-детектора и формирователь управляющего сиг- нала, а также введены блок умножения, включенный между выходом измерителя отношений и входом индикатора времени релаксации, блок задания коэффициентов и решающий блок, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответствующими выходами блока задания коэффициентов, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выходом второго делителя мощности, второй вход измерителя отношений подключен к выходу блока сравнения, а шестой и седьмой входы решающего блока соединены соответственно с выходами цифроаналогового преобразователя и выходом блока умножения.

2. Измеритель по п-, 1, отличающийся тем, что решающий блок содержит последовательно соединенные первый блок перемножения, первый, второй и третий входы которого являются соответственно первым, вторым и третьим входами решающего блока, второй перемножитель, второй и третий входы которого являются соответственно четвертым и шестым входами решающего блока, третий перемножитель, сумматор и блок извлечения квадратного корня и четвертый перемножитель, при этом выход второго пёремножителя соединен с вторым входом сумматора, выход четвертого перемножителя соединен с вторым входом третьего перемножителя, третий вход которого является пятым входом решающего блока, вход четвертого перемножителя является седьмым входом решающего блока, а выход блока извлечения квадратного корня - его выходом.

20

25

30

35

40

45

Фиг. 2

Изобретение относится к радиотехническим измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей путем обеспечения измерений дипольного момента молекул. Устройство содержит СЪЧ г-ры 1 и 2, смеситель 3, блоки 4 и 5 АПЧ, управляемые аттенюаторы 6-8, частотомер 9, ЦАП 10, блок П задания исследуемого вещества, решающий блок 12, блоки 13 и 14 регулирования СВЧ-мощности, измеритель отношений 15, блок 16 умножения, блок 17 задания коэф., опорный резонатор 18, измерительный резонатор 19, СВЧ-детекторы 20 и 21 блок 22 сравнения,.индикатор 23, индикатор 24 времени релаксации, формирователь 25 управляющего сигнала, делители 26 и 27 мощности, направ- ленные ответвители 28 и 29, термостат 30. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. сл &0 СХ) со