Измеритель частотных характеристик эмульсии Советский патент 1987 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения частотных характеристик - диэлектрической проницаемости, активной проводимости, времени релаксации, поляризационной емкости и поляризационных потерь - водонефтяных и других эмульсий,различных материалов и веществ нефтяной, нефтехимической,, химической промышленности при разработке приборов контроля качества веществ, контроле параметров технологических процессов.

Целью изобретения является повышение точности измерения частотных характеристик эмульсии н расширение функциональных возможностей измерителя за счет полз чения информации о вещественной и мнимой составляющих комплексной диэл ;ктрической проницаемости, постоянной времени релаксации, поляризационной емкости и поляризационных потерях „

На фиг„ 1 показана блок-схема измерителя частотных характеристик эмульсии на фиг. 2 - схема замещения емкостного датчика

Измеритель содержит (фиг. 1) генератор 1 перестраиваемой частоты регулирующий образцовьш резистор 2,, ем-- костный датчик 3« регулируемый образцовый конденсатор 4, три операционных усилителя 5-75 три образцовых

1350586 2

ключателя 14, выходы компонентных детекторов 12 и 13 присоединены соответственно к первому и второму входам микро-ЭВМ 16, к третьему ее входу под- ключен через вольтметр 15 выход переключателя 14, выходы микро-ЭВМ 16 соединены с блоками 17 и 18 уравновешивания и блоком 19 управления, а выходы последнего - с управляющими 10 входами переключателя 14, блока 20 частотной развертки и микро-ЭВМ 16, выход блока 20 частотной развертки соединен с управляющим входом генератора перестраиваемой частоты 1. 15 Схема замещения емкостного датчи2.

ка 3, показанная на фиг. /, содержит емкость С, , характеризующую вещественную составляющую комплексной диэлектрической проницаемости иссле20 дуемой эмульсии на высоких частотах, проводимость С, , отражающую мнимую составляющую комплексной диэлектрической проницаемости среды на низких частотах, поляризационную емкость

Cgjj ; проводимость С поляризационных потерь. В предлагаемом измерителе предусматривается измерение всех параметров замещения в частотном диапазоне,

30 Устройство работает следуюшим образом.

Синусоидальное напряжение изменяющейся частоты поступает с выхода генератора 1 перестраиваемой частоты

резистора З-Ю вычитающее устройство jj регулируемый образцовый резистор 11, два компонентных детектора 12 и 2, емкостный датчик 3 и регулируемый

13, дереключатель 14, вольтметр 15 микро-ЭВМ 16, два блока 17 и 18 уравновешивания., блок 19 управления,; блок 20 частотной развертки.

Выход генератора 1 перестраиваемой частоты через регулируемый образцовый резистор 2,, емкостный датчик 3 и регулируемый образцовый конденсатор 4 Соединен с входами операционных усилителей соответственно 5, 6 и 7,выход первого из которых соединен с первыми входами компонентного детектора 12, переключателя 14 и вычитающего устройства 11J к второму и третьему входам вычитающего устройства 11 подключены выходы операционных усилителей 6 и 7 ,j выход последнего соединены также с первым входом компонентного детектора 13 и вторым входом переключателя 14, а выход вычитающего устройства 11 - с вторыми входами компонентных детекторов 12 и 13 и третьим входом пере2.

ка 3, показанная на фиг. /, содержит емкость С, , характеризующую вещественную составляющую комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой эмульсии на высоких частотах, проводимость С, , отражающую мнимую составляющую комплексной диэлектрической проницаемости среды на низких частотах, поляризационную емкость

Cgjj ; проводимость С поляризационных потерь. В предлагаемом измерителе предусматривается измерение всех параметров замещения в частотном диапазоне,

Устройство работает следуюшим образом.

Синусоидальное напряжение изменяющейся частоты поступает с выхода генератора 1 перестраиваемой частоты

образцовый конденсатор 4. Токи, протекающие в ветвях элементов 2-4, преобразуются в напряжения соответственно операционными усилителями 5-7, в цепи отрицательной обратной связи которых включены образцовые резисторы соответственно 8-10, Напряжение Uj, Ug и и на выходах операционных усилителей 5,. 6 и 7 будут равны

5 -U,G,Rg, и, -U,,Y,R,, U,-U,,.

где R,

R. . R

(О

0

5

-сопротивления резисторов соответственно 8, 9 и 10,

-проводимость образцового резистора 2;

-комплексная проводимость емкостного датчика 3j

- комплексная проводимость образцового конденсатбра 4,

3

равная Уд ju С, (Сд - емкость конденсатора 4) ,

Комплексную проводимость емкостного датчика 3 можно представить в следующем виде:

Yj(ja)G +jo(C, (1+jcot2)),

где TJX - постоянная времени, равная

гг. . ,

Напряжения Uj, U и U операционных усилителей 5, 6 и 7 подаются на входы вычитающего устройства 11, на выходе которого, в свою очередь, существует напряжение

й„ , (Y,R,-G,Rg-Y,R,o ) Рассмотрим отношения напряжений

W „ Hi- -Ь1в .- У„К -G..R,

,e

UK o - -e

je UT YoR,o

H

где СО, , б, - модуль и фаза функции W, , COi, 9г - модуль и фаза функции Wj . В случае равенства емкостей С регулируемого образцового конденсатора 4 и G,х схемы замещения датчика (при Rg R R,o) последние выражения преобразуются к виду

G,,-G;+jcoC«/(T+JGO S,,)

г G,,-G,+joC2,/(Hjco r,,)

При равенстве проводимости Gg регулируемого образцового резистора 2 и схемы замещения датчика (Rg R R,(,) значения функций W и W будут следующими:

W,

jco(C,x -Co+C,x/(Hj« ,)T

а С„-С„ +C,,/()

Момент достижения равенства , можно определить, если условие квазиравновесия измерительной цепи представить в виде

CJ, (ju,;) , (JSi 1 OJ() , (j CO,;) 1 ,;) ,(jcJ,-, ) 1

0,

350586 -4

где Re - символ, обозначающий вещественную составляющую функции, и,; , cOj; и COj; - частоты напряжения пита- g ния Б 1-том частотном диапазоне.

Достижение равенства можно определить, если условие квазиравновесия будет иметь вид

Q.

(0(,; ) ,; Я 1 co.Cjco,;.) RetW.Cjw,;) 1 G3,(jcO,;) .i(ju,,) 1

0

Так как предусматривается.однр- временная регулировка двумя образцовыми элементами (резистором 2 и конденсатором 4), то после достижения одного из состояний квазиравновесия, например Q, О (), для определения второго состояния квазиравновесия (Gj,G, ) объем вычислительных операций может быть значительно- сокращен вследствие упрощения условия квазиравновесия

25

Q2

(jU,;) 1 ,(jo,)r .1

Аналогично, если первым будет дос- тигнуто состояние квазиравновесия, характеризующееся равенством Q О (при (), упрощается условие квазиравновесия

Q,

,(j(o,;) 1 ,(JG},;) 1

О

После достижения двух состояний квазиравновесия (Q( 0, ),

40 значения параметров и G, .схемы замещения датчика отсчитываются по значениям образцовых элементов 4 и 2, Значения двух других параметров схемы замещения (G и G) определя g ются по вещественным составляющим функций W( и Wj из выражений

RerW.(jo)

,(jc.)

Вольтметром 15 измеряются амплитудные (или эффективные) значения Uj , и и и,, соответственно синусоидальных напряжений U, Uf и U, , поступающих на его вход через переключатель 14. Цифровой код F,j на выходе вольтметра 15 соответствует амплитудным (эффективным) значениям этих напряжений. Цифровые коды F, ,

f (3 и F,5 подаются на входы микро- ЭВМ.

По полученным значениям микро-ЭВМ 16 вычисляет отношения

U7

со,

ljj и„

а затем - значениз функций Q и Q s по которым осуществляется регулирование образцовых элементов - резистора 2 и конденсатора 4 - посредством блоков уравновешивания соответственно 17 и 18.

Величины, необходимые для определения Q( и Q,25 находятся следующим образом. Цифровой код F, на выходе компонентного детектора 12, на входы которого поступают напряжения Ug- и J соответствует вещественной составляющей отношения этих напряжений;

F,,(jU) .

Аналогично, на выходе компонентного детектора 13 цифровой код F|3 соответствует в.ёщественной. составляющей отношения напряжений и U,, на его входах

F,,,(jco) .

I

После отсчета измеряемых параметров в i-TOM диапазоне частот по команде блока 19 управления блок 20 частотной развертки изменяет значения .частот генератора перестраиваемой частоты 1 В дальнейшем осуществляется измерение характеристик эмул сии в i+1 диапазоне частот,

В связи с тем, что, напримерj с ростом частоты синусоидального напряжения j воздействующего на измеряемый объект, емкость С, схемы замещения емкостного датчика, заполненного эмульсией; уменьшается, а активная проводимость С, - увеличивается и измерения проводятся при постепенном увеличении (или уменьшении) частот, то значения регулируемых эле ментов 2 и А изменяются в априорно известном направлении, что значи

0

тельно уменьшает время снятия частотных характеристик эмульсии. Формула изобретения

Измеритель частотных характеристик эмульсии, содержащий генератор перестраиваемой частоты, емкостный датчик, переключатель, блок частотной развертки, выход которого соединен

-. с управляющим входом генератора перестраиваемой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, в него

,- введены регулируемые образцовые конденсатор и резистор, три операцион- ных усилителя, три образцовых резистора в цепи их обратной связи, вычитающее устройство, два компонентных детектора, вольтметр, микроЭВМ, два блока уравновешивания и блок управления, причем к выходу генератора перестраиваемой частоты через регулируемый образцовый резистор, емкост5 ный датчик и регулируемый образцовый конденсатор подключены входы соответственно первого, второго и третьего операционных усилителей, вгз1ход первого из которых соединен с первыми входами первого компонентного детектора, переключателя и вычитающего устройства, к второму и т зетьему входам вычитающего устройства подключены выходы соответственно второго и третьего операционных усилителей, выход последнего соединен также с первым входом второго компонентного детектора и вторым входом переключателя, а выход вычитающего устройства - с вторыми входами первого и второго компонентных детекторов и третьим входом переключателя,, выходы первого и второго компонентных детекторов присоединены соответственно к первому и второму входам микроЭВМ, к третьему ее входу подключен через вольтметр выход переключателя, к четвертому - выход блока управления, выходы микроэвм соединены с двумя блоками уравновешивания и блоком управления, а выходы последнего - с управляющими входами переключателя и блока частотной развертки.

0

5

0

5

0

C2X

Hf-

G-ZK