Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов Советский патент 1988 года по МПК G01R27/26 

со с со ьо

N

а

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля параметров веществ, материалов и изделий на основе диэлектриков и в частности, может быть использовано как для анализа физико-механических свойств непроводящих или слабопроводящих сред, таких как слабозасоленная почва, так и для технологического контроля процессов производства ряда материалов и изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей пу- тем раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления.

На.чертеже представлена блок-схема измерителя.

Измеритель содержит коммутационны генератор 1-, выключатель 2, балластную резистивно-емкостную цепочку 3, источник 4 тока, измерительный генератор 5, блок 6 стробирования, ре- версивный счетчик 7, индикатор 8, усилитель 9, варикап 10, автоматический коммутатор 11, компаратор 12 кодов, измерительный конденсатор 13, образцовый конденсатор 14, блок 15 управления.

Устройство работает следующим образом.

Управляющее напряжение коммутационного генератора 1, периодически с частотой . коммутации 5 , переключает автоматический коммутатор 11, через который с той же частотой к времязадающей цепи измерительного автогенератора 5 поочередно подклю- чаются измерительный либо образцовый конденсаторы 13, 14. Измерительный конденсатор реализован в виде обкладок конденсатора, между которым помещен исследуемый образец При . этом частота автогенератор а 5 изменяется с частотой коммутации Я в соответствии с неидентичностью значений емкостей конденсаторов 13 и 14 Генератор вырабатывает частотно-мо- дулкрованное напряжение, которое поступает на счетный вход реверсивного счетчика 7. Вход счетчика 7, управляющий реверсом, подключен к коммутационному генератору 1. Между выхо- дом генератора 5 и счетным входом счетчика 7 включен блок стробировани импульсов измерительного генератора 6, назначение которого - исключить

прохождение подсчитываемых импульсов в моменты переключения конденсаторов 13 и 14 коммутатором 11. Строби- рование уменьшает погрешность измерения числа импульсов за период коммутации 2/1/57 Т„, вызванную переходными процессами генератора 5 и коммутатора 11. Таким образом, блок 6 стробирования вырабатьтает импульсы определенной длительности (больше постоянной времени переходных процессов) в каждый полупериод Т;(/2 переключения конденсаторов 13 и 14.

Измерение реактивной составляющей сопротивления X с конденсатора 13, которое в присутствии обьекта исследования носит комплексный характер у производится по образцовому конденсатору 14 (с малыми потерями). Значение емкости изменяется в результате воздействия исполнительного механизма, входящего в блок 15 управления. На вход блока 15 поступает с выхода компаратора кодов сигнал, зна которого зависит от соотношения сравниваемых кодов, в момент поступления стробимпульсов на компаратор 12 кодов. Назначение компаратора кодов состоит в фиксации знака и числа импульсов, пропорционального разност частот измерительного генератора 5 за период коммутации Т|, она является входной для устройства 15. Функция стробимпульсов, поступающих на компаратор, состоит в синхронизации момента сравнения кодов компаратора 12. Блок 13 управления перестраивает образцовый конденсатор 14 до тех пор, пока выходной код счетчика 7 не станет равным нулю - это Всидеаль ном случае, т.е. когда полупериоды симметричны. Однако вследствие- неидеальности коммутирующих цепей требуется предустановка начального значения компаратора 12 кодов, которая осуществляется на зтапе калибровки устройства перед измерением.

Описанный этап измерения реактивной составляющей Хс, характеризующий свойства исследуемого объекта измерения, помещенного между обкладками измерительного конденсатора 13,, не отличается от известных автогенераторных методов. Он состоит в фиксации равенства частот измерительного генератора в момент взаимного замещения образцовой и измерительной емкостей.

Особенностью данного измерителя является то, что этот этап компенса- . ции реактивной составляющей X (, комплексного сопротивления объекта не- с следования является этапом начальной установки значения Со образцового конденсатора 14. Относительно этого значения на втором этапе измерения отсчитьшается величина активной сое- ю тавляющей г, комплексного сопротивления объекта измерения по. приращению ЛС Ср, где С - конечное значение образцовой емкости, которое она принимает по завершению второго 15 этапа измерения.

На втором этапе измерения (режим измерения г.) выключатель 2 находится В замкнутом состоянии. При этом использование в замкнутой цепи, состоя-20 щей из последовательно включенных генератора 5, источника 4, выключателя 2, усилителя 9, варикапа 10 и балластной цепочки 3 (параллельно включенных резистора и емкости), ис- 25 точника 4 тока, питающего измерительный генератор 5, позволяет вьщелить в точке подключения балластной це- почки огибающую частоты коммутации SI амплитуда которой пропорциональна jO разности потерь в конденсаторах 13 и 14, включенных в измерительный генератор 5 с времязадающей цепочкой, в качестве которой используется резонансная система, содержащая конденсаторы 13 и 14 и индуктивность (не показана). .

Из условия Ij IP+ 1с - const, где Ij - ток источника 4, определяемый его внутренним сопро- . Q тивлением;

1 - постоянная составляющая тока, замыкающаяся через ре- : зистор цепочки 3 и резонансный контур генератора 5; .дс IP - переменная составлйющая,

замыкающаяся через конденсатор цепочки 3 и резонансный генератора 5, следует, что изменение эквивалентного сопротивления времязадающей цепочки генератора 5 (резонансного контура с конденсаторами 13 и 14) вы- зьшает перераспределение токов Iр и I;,, которое изменяет падение напряжения на резисторе цепочки 3. Это дает возможность вьщелять огибающую час- тоты коммутации,вызванную неравенством импедансов конденсаторов 13 и 14.

35

50

55

O

Q

с

5

0

5

Выделенная огибающая используется в режиме измерения активной составляющей Гр. Эта огибающая подается через усилитель 9 в качестве модулирующего напряжения на варикап 10 для дополнительной частотной модуляции генератора 5.

В режиме измерения активной составляющей комплексного сопротивления выключатель 2 находится в замкнутом положении. При этом вследствие различных значений импедансов конденсаторов 13 и 14, подключаемых коммутатором 14, постоянный ток через резистор будет модулироваться с частотой коммутации S1. Следовательно, постоянное напряжение на балластном резисторе,.поступающее на вход усилителя 9, будет меняться по тому же закону. Назначение конденсатора цепочки 3 состоит в фильтрации высокочастотной составляющей автогенератора 5. Напряжение частоты коммутации, пропорциональное потерям в исследуемой среде, вызьшает частотную модуляцию автогенератора 5 за счет периодического изменения емкости варикапа 10, т.е. амплитудная модуляция в цепи питания генератора 5 порождает частотную девиацию того же генератора.

Эта частотная-девиация с частотой коммутации si должна быть скомпенсирована за счет выравнивания импедансов конденсаторов 13 и 14, Причем индикация равенства этих и ffleдaнcoв контролируется по равенству частот генератора 5 на полупериодах Т ц/2 трактом преобразования измерительной информации, используемом ранее, на первом этапе в режиме-: измерения Х., т.е. индикация равенства HNme- дансов происходит с помощью реверсивного счетчика 7. Выходной код счетчика, как и в первом режиме, является информацией для управления конденсатором 14 через блок 15. Процесс регулирования значения емкости будет продолжаться до тех пор, по- , ка емкость конденсатора 14 не достигнет величины С , При этом потребление энергии от источника 4 тока в оба такта работы коммутатора 11 станет одинаковым, что приведет к исчезновению амплитудной модуляции на входе усилителя 9. В этом случае отсчет активной составляющей комплексного сопротивления исследуемой

ИЛИ материала может быть опре- дехсен по соотношению

с

1

ыйС

где ЛС С к - Ср.

Процесс измерения и калибровки состоит в следующем.

На первом этапе производится уста новка нуля, т.е. вьфавнивают начальные значения емкостей измерительного и образцового конденсаторов 13 и 14. Для этого в отсутствие измеряемого объекта выключатель 2 размы- кают и устанавливают нулевое значение кода компаратора 12. По показаниям установившегося значения индикатора 8 судят об окончании процесса калибровки. Далее .устанавливают значение кода компаратора 12 равным значению показаний цифрового индикатора 8 с учетом знака, при этом после окончания переходных процессов на индикаторе 8 автоматически установится нулевое значение. Предуста- новочный код компаратора 12 определяется несимметрией скважности длительностей стробируемых полупериодов интервалов времени, соответствующих частоте коммутации я , и зависит от технического исполнения блока 6 стробирования. Калибровка измерителя завершается отсчетом начального зна

лируемого объекта и ее величиной в момент компенсации амплитудной модуляции частоты коммутации 5 на резисторе цепочки 3, возникшей за счет активных потерь г объекта измерения, помещенного между обкладками образцового конденсатора 14.

Эта модуляция уменьшается за счет реактивного сопротивления образцового конденсатора 14. Конденсатор 14 перестраивается в этом режиме блоком 15 управления. При этом выполняется указанное соотношение, из которого легко определить г по известной- частоте генератора 5.

Абсолютное значение частоты ы, входящей в выражение для г,, может определяться по показаниям индикатора 8. Для этого выключается схема управления реверсом и индикатор подсчитывает число импульсов генератора 5 за полупериод коммутации Т.. Указанный режим заложен в структуру коммутационного генератора 1.

Форм у л а изобретения

Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов, сод ержащий измерительный генератор с времяза- дающей цепью и коммутационный генератор, автоматический коммутатор.

Изобретение может быть использовано для анализа физико-механических свойств непроводящих или слабопроводящих сред, например слабозасоленных почв, а также для технологического контроля процессов производства ряда материалов и изделий. Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов содержит измерительный генератор 5. с времязадающей цепью, коммутационный генератор 1, автоматический коммутатор 11, измерит ель- ный 13 и образцовый 14 конденсаторы, реверсивный счетчик 7, блок 6 стро- бирования, индикатор 8, компаратор 12 кодов, блок 15 управления, источник 4 тока, балластную резистивно- емкостную цепочку 3, усилитель 9, выключатель 2 и варикап 10. Повьша- ется точность измерения и расширяются функциональные возможности путем раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления. 1 ил. о S (Л

чения Сц образцового конденсатора 14 35 . измерительный и образцовьй конденсапо его шкале,

Процесс измерения реактивной составляющей комплексного сопротивления объекта измерения состоит в определе НИИ разности значений образцовой емкости между ее Показаниями С, отсчитанными после введения объекта измерения в конденсатор 13, и ее значением, отсчитанным в режиме калибровки, т.е. Хс 1/w(C о- С„) .

Особенностью режима измерения ак- тивной составляющей г предлагаемым устройством является возможность ее регистрации по компенсирующей реактивной составляющей образцовой емкости при выполнении условия

wCC. - CJ

где (С - С) - приращение образцовой емкости между ее значением при отсчете реактивной составляющей контро

торы, реверсивный счетчик, блок стробирования, индикаторi компаратор кодов и блок управления, при этом к времязадающей цепи измерительного генератора подключен средний контакт автоматического коммутатора, выходные контакты которого подключены к общей шине измерителя через измери,- тельный и образцовый конденсаторы,

выход измерительного генератора через последовательно соединенные блок стробирования и реверсивный счетчик соединен с входом индикатора, выход коммутационного генератора подключен

к управляюшгим входам автоматического коммутатора, блока стробирования и реверсивного счетчика, выходы двух последних подключены к индикатору и .компаратору кодов,выход которого через блок управления соединен с образ- -цовым конденсатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения

7 13332268

функциональных возможностей путемчерез балластную резистивно-емкостную раздельного измерения активной и ре-цепочку - к общей шине измерителя и активной составляющих комплексногочерез выключатель к входу усилите- сопротивления, в него введены не-ля, выход которого соединен с одним точник тока, балластная резистивно-из выводов варикапа и со сред- - емкостная цепочка, усилитель, выклю-ним контактом aBToMaTH iecKoro ком- чатель, варикап, при этом первыймутатора,. а другой йьтод вари- вЫвод источника тока подключен к из-капа соединен с общей шиной измерительному генератору, а второй Q мерителя.