Способ измерения дискретного спектра времен релаксации диэлектрических материалов и сред и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01N27/22 

14

Изобретение относитсн к способам и средствам анализа свойств веществ диэлькометрическими методами и может быть использовано при исследовании свойств, структуры и строения диэлекрических материалов и сред по дискреному спектру времен релаксации,

Целью изобретения является повышение точности.измерения и азтомати- зация процесса измерения,

На фиг., 1. изображена зависимость коэффициента диэлектрических потерь j, как функция от частоты на фиг, 2 блок-схема устройства, реализующего способ , на фиг. 3 - блок-схема управления на фиг. 4 - блок-схема функционального преобразователя.

Способ реализуется в следующей последовательности.

Снимсшзт частотную характеристику коэффициента диэлектрических потерь () датчика с исследуемым материалом.

Для повышения производительности значения , i .1,25.«.п определяют в дискретных точках частотного диапазона (фиг. 1), расположенных в исследуемых областях релаксационных

потерь (f ,,.; ;., „ f -f Д , , .f - f

S. i

Одновременно при снятииг частотной характеристики 6(f) измеряют фазовьт сдвиг ц между напряжением и током в цепи датчика с исследуемым материалом..

При определении каждого из П-времен релаксалщи находят значения частот f ;, f. I на которых реализуется заданный фазовый сдвиг, (. в пределах 45 ь и .; 90. Практически значение фазового сдвига зыбирай т в диапазоне 5 в этом случае значение коэффициента диэлектрических потерь ,% отлично от максимального значения,

Определяют значения коэффициента Д1 эл-гкт ричес1стх потерь на частотах f; и H(f;) и e(fi). Затем определяют разности частот в области ре лс КСанионных потерь;

f f;.

(1)

Сохоя.няя постоянство оазности ,. .

J.5

eonst, сдвигают пары частот по диапазону до достиокения минимального чекяя фvнкцкй

(4f ) (f l) - мин, . (2)

10Фиксируют значения , соот- вествующих условию (f ) (f), и определяют время релаксации

0,5 -т-Ьт

f +f

(3)

Улучшение точностньп: характеристик может быть достигнуто путем последовательного приближения, для чего для каждой пары частот f и f 1; уменьшают в k раз полуразность частот, dfoj 0,5()/k. (4)

На значение il foi встречно сдвигают каждую из частот f и f пары ;

f , f , -ь f оГ

f J f л 1 о) /

(5)

: f На частотах f, и f определяют

значения коэффициентов диэлектрических потерь (f .|) и (f j), которые сравнивают с пpeдьш;yщи ш значениями (f i) и (fpo

при/5 ; . (; )- Б(;) о 21 (f2b (f;) О,

(6)

т.е. при превышении полученных результатов над предьщущими по значениям частот f и f I, определяют времена релаксации

; o,5/( fi;).

Если j /.О и то изменяют направление сдвига частот каждой пары на противоположное и повторяют цикл определения среднего зна чеш-1я периода.

По полученным результатам измерения L определяют дискретный спзктр времен релаксащет диэлектрических материалов в виде функц11и f. 5 (t,O в широком диапазоне частот (фиг,1).

Ка фиг. 2 ггриведена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство включает автоматический пере- х лючатель 1,, перестраиваемый 2 и управляемьй 3 генераторы, дифференциальный частотомер i, емкостной датчик 5 с исследуемым -материалом или ере- дои5 цифровой фазометр б, формирователь 7 импульсовр скему 8 перемножв нияа блок у управления., преобразователь 10 ток-напряжение5 источник It

питания, функциональньй преобразователь 12, логический элемент И-НЕ 13, перекличатель 14 режимов работы, отсчетно-регистрирующее устройство 15.

Блок 9 управления (фиг, 3) состоит из усилителя 16 частоты коммутации, синхронного детектора 17, интегратора 18 и масштабного преобразо вателя 19.

Функциональньй преобразователь 12 (фиг, 4) состоит из логического элемента И-НЕ 20, триггера 21, первого и второго одновибраторов 22 и 23, делителя 24 частоты, счетчика 25 импульсов, управляемого делителя 26 частоты и кварцованного генератора ,27,

Входы автоматического переключателя 1 соединены с входами дифференциального частотомера 4 и подключены к выходам перестраиваемого и управляемого генераторов 2 и 3, Выход, автоматического переключателя 1 соединен с объединенными между собой пер- вьми входами цифрового фазометра 6 и схемы 8 перемножения, с входом формирователя 7 импульсов и через емкос

ный датчик 5 с исследуемым материалом.- с входом преобразователя 10 - ток - напряжение. Выход преобразователя 10 ток - напряжение подключен к объединенным между собой вторым входам цифрового фазометра 6 и схемы 8 перемножения, Выход схемы 8 перемножения соединен с первым входом бло ка 9 упрвления, выход которого подключен к входу управляемого генератора 3, Второй вход блока 9 управления соединен с первым входом переключателя 14 режимов работы и подключен к второму выходу функционального преобразователя 12, первый выход которого соединен с отсчетно-регистрирзпо- щим устройством 15, вьтолненным в виде электронно-счетного частотомера. Вход функционального преобразователя 12 через формирователь 7 импульсов подключен к выходу автоматического пе реключателя 1, Цепь упрввления автоматического переключателя 1 соединена с выходом логического элемента И-НЕ 13, первый вход которого подключен к выходу переключателя 14 режимов работы, второй вход которого соединен с вторым входом логического элемента И-НЕ 13 и подключен к первому выходу источника 11 питания, второй выход

15

ю

20

30

35

40

- gg

2910

которого соединен с третьим входом переключателя 14 режимов работы и подключен к нулевой шине устройства.

Первый вход блока 9 управления . соединен с входом усилителя частоты коммутации, выход которого через синхронный детектор 17 подключен к входу интегратора 18, с выходом которого соединен масштабньй преобразователь 19, чей выход является выходом блока 9 управления, вторым входом которого является управляющий вход синхронного детектора 17,

Первый вход функционального пре- .образователя 12 является первьм входом логического элемента И-НЕ 20, второй вход которого подключен к прямому выходу триггера 21, инверсньй выход которого подключен к цепочке последовательно соединенных первого и второго одновибраторов 22 и 23, выходы которых подключены к входам установки в О управляемого делителя 26 частоты и счетчика 25 импульсов соответственно. Счетный вход триггера 21 соединен с вторым выходом функционального преобразователя 12 и через делитель 24 частоты подключен к выходу кварцованного генератора 27, с которым соединен и счетный вход управляемого делителя 26 частотыj выход которого является вы- ходом функционального преобразователя 12, Входы управляемого делителя 26 частоты соединены с выходами счетчика 25 и тульсов, подключенного к выходу логического элемента И-НЕ 20.

Устройство работает следующим образом.

На входы автоматического переключателя 1 с выходов перестраиваемого и управляемого генераторов 2 и 3 поступают; сигналы с частотами следо25

45

вания f и f2 соответственно.

В емкостньй датчик 5 помещается исследуемый диэлектрический материал 1ШИ среда, времена релаксации которых обусловлены различными видами поля- . ризации, неизвестны и подлежат измерению.

Переключатель 14 режимов работы устанавливается в крайнее нижнее положение (см. фиг. 2). В результате подачи нулевого потенциала на второй вход логического элемента И-НЕ 13, запрещается прохождение управляющего сигнала с второго выхода функ1 т.1онялъ514029106

ного преобразователя 12 или с выхода нуль, что обеспечивает перевод автоматического переключателя 1 в полсже- ние, противоположное указанному на фиг. 2.

Аналогично по показанию цифрового фазометра 6 устанавливают значение фазового сдвига , 50 между вькодными сигналами U(t) и U4(t) уп- 1 на первую клемму емкостного датчн- ю равляемого генератора 3 и преобразова- ка 5 с исследуемым диэлектрическим теля 10 ток напряжение на частоте

делителя 24 частоты через логический элемент И-НЕ 13 на управлякщий вход, автоматического переключателя 1. Это обеспечршает исходное папожение авг томатического переключателя 1, указанное на фиг. 2, При указанном положении автоматического переключателя

Изобретение относится к способам и средствам ана.пиза свойств веществ и сред диэлькометрическими методами и может быть использовано при исследовании свойств, структуры и строения диэлектрических материалов по дискретному спектру времен релаксации. Целью изобретения является повышение точности при автоматизации измерений. Это достигается тем, что при снятии частотной зависимости коэффициента диэлектрических потерь дополнительно измеряют фазовый сдвиг между напряжением и током в цепи датчика с исследуемым материалом. По заданному значению фазового сдвига определяют зоны (области) релаксационных потерь, в которых методом симметричных отсчетов находят значение частоты, соответствующее экстремуму дисперсионной кривой, из которой расчитывают время релаксации, получая для п-областей спектр времен релаксации. Процедура реализуется автоматически путем периодического формирования пар частот, смещаемых по диапазону, и совместных измерений фазовых соотношений между током и напряжением в цепи датчика , что реализуется соответствугацими блоками устройства. Время релаксации вычисляется также автоматически как полусумма определенных частот в областях релаксационных потерь. 3 з.п.ф- лы, 4 ил. 1C 4: О ГО QO

материалом с выхода перестраиваемого генератора 2 поступает синусоидальный сигнал U,(t) с амплитудой U; и перестраиваемой частотой f. Этот

Затем переключатель 14 режимов работы переводят в крайнее верхнее положение, при котором на первый вход второго логического элемента И-НЕ 13

20 с второго выхода функционального преобразователя 12 или с выхода делителя 24 частоты поступает управляющий сигнал частоты коммутаили f | о/

где f-Q частота сигнала кварцованносигнал поступает также на первые входы цифрового фазометра б и схемы 8 перемножения. Переменньй ток i(t) через емкостной датчик 5, обусловленный приложенным синусоидальньи сигналом и (t) , преобразуется в напряжение с помощью преобразователя 10 ток - напряжение, В результате на вторые входы цифрового фазометра 6 и

схемы 8 перемножения поступает сигнал 25 го генератора 27, п коэффициент де- Ut(t) kKt), пропорциональный току ления .делителя 24 частоты.

В результате непрерывной работы автоматического переключателя 1 на счетный вход счетчика 25 и myльcoв за 30 период управляющего сигнала Т 1/F}. поступает по N , и N /2 импульсов. Всего за период Т, на счетчик 25 импульсов поступает Nj N, N импульсов Эти им71ульсы пос- Ввиду частотной зависимости диэлект- 35 тупают на счетный вход счетчика 25 им- рической проницаемости исследуемого пульсов в положительньй полупериод /

выходного сигнала 21, управ- ляняцего работой логического элемен- поступаюЕдих на емкостный датчик 5. Фа- .та И-НЕ 20, т„е. при наличии ,логи- зовый сдвиг 1 между сигналами U,(t) 40 ческой еданицы на пряном выходе триггера 21, В момент появления логической единицы на инверсном выходе триггера 21 запускается первый одновиб- ратор 22, Выходной импульс первого ное на фиг, 2, изменяют частоту f вы-45 одновкбратора 22 поступает на вход ходного сигнала перестракзаемого ге- перезаписи кода управляемого делите- нератора 2 (допустим снизу вверх) до ля 26 частоты В последний записы- момента получения значения фазового сдвига между Сигналами U .,(t) и UjCt) равного i|,j , например., 50- т.е. (0 50

Затем переключатгль 14 режимов работы переводят в среднее положение при котором ка оба входа второго логического элемента И-КЕ 13 поступает г попог сительньй потенци ал с первого выг хода источ -шка 11 питания а В результате на вьг;годе второго логического элемента И-НЙ 13 уставовктся логичесздай

через емкостной датчик. Частота сигналов U,(t) и U(t) равны между собой, а амплитуды U и U;,,. этих сигналов разные с Кроме Toroj в сигнал Ufl(t) вносится дополнитех ьный фазовый сдвиг за счет запаздывания

л S

.тока i(t) относительно сигна.па U(t) подаваемого на емкостной датчик 5,

материала вносимый фазовый сдвиг i также зависит от частоты сигналовj

и и .{t) измеряется и контролируется с помощью цифрового фазоматра 6.

установки автоматического йереклшчателя 1 в положение,, указанвается содержимое счетчика 25 кмпуль- COS, Затем выходжим импульсом перво™ 50 одновибратора 22 запускается второй одновибратор 23, который форгда- рует импульс бсроса в нуль содержимого г;чатчвка 25 импульсов к тем са .«,& .: подготав.пивает его к сумг-шрова- нйто новых пачек импульсов поступающих с генераторов 2 и 3 в полупериоды частоты коммута.ц1-5и„

В течение отрнцательнот о полупериода выходного сигнала триггера

fjj превьппающей частоту f на некоторое значение л f - f Значение частоты f соответствует фазовому

сдвигу (xt fx,

Затем переключатель 14 режимов работы переводят в крайнее верхнее положение, при котором на первый вход второго логического элемента И-НЕ 13

с второго выхода функционального преобразователя 12 или с выхода делителя 24 частоты поступает управляющий сигнал частоты коммутаили f | о/

где f-Q частота сигнала кварцованного генератора 27, п коэффициент де- ления .делителя 24 частоты.

выходного сигнала 21, управ- ляняцего работой логического элемен- .та И-НЕ 20, т„е. при наличии ,логи- ческой еданицы на пряном выходе триггера 21, В момент появления логической единицы на инверсном выходе триггера 21 запускается первый одновиб- ратор 22, Выходной импульс первого одновкбратора 22 поступает на вход перезаписи кода управляемого делите- ля 26 частоты В последний записы-

вается содержимое счетчика 25 кмпуль- COS, Затем выходжим импульсом перво™ одновибратора 22 запускается второй одновибратор 23, который форгда- рует импульс бсроса в нуль содержимого г;чатчвка 25 импульсов к тем са .«,& .: подготав.пивает его к сумг-шрова- нйто новых пачек импульсов поступающих с генераторов 2 и 3 в полупериоды частоты коммута.ц1-5и„

В течение отрнцательнот о полупериода выходного сигнала триггера

21 осуществляется деление частоты f, кварцованнсго генератора 27 на код числа NJ , i5 результате на вход электронно-счетного частотомера 15 поступят импульсы с частотой следо0

вания f fj,/Nj.

Формула изобретения

1,Способ измерения дискретного спектра времен релаксации диэлектрических материалов и сред, заключающийся в том, что снимают частотную характеристику коэффициента диэлект- рических потерь датчика с исследуемым материалом, определяют значения коэффициентов диэлектрических потерь

и частоты,соответствующие им,по которым рассчитывают времена релаксации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения дискретного спектра, дополнительно измеряют фазовый сдвиг между напряжением и током в цепи датчика с исследуемым материалом, для выбранного фазового сдвига из интервала 45-90° находят значения частот, при которых реализуется заданный фазовый сдвиг, на найденных частотах фикси- руются значения коэффициента диэлектрических потерь, сохраняя постоянство разности между парами частот, сдвигают их по диапазону до минимизации величины .разности полученных значе- НИИ коэффициентов диэлектрических потерь, фиксируют найденные частоты и для каждой пары частот определяют полусумму значений периодов, равную временам релаксации.

2,Способ по п, 1, отлича ю- щ и и с я тем, что уменьшают в k раз полуразность пар частот, на полученные значения встречно сдвигают частоты соответствующей пары, результаты измерений коэффициентов диэлектрических потерь на установленных частотах сравнивают .с предьщущими, при

их превьппении фиксируют полусумму значений периодов, в противном слу чае изменяют направление сдвига частот каждой пары на противоположное и повторяют цикл определения полусуммы значений периодов,

3,Устройство для измерения дис- кретного спектра времен релаксации диэлектрических материалов и сред, содержащее управляемый и пёрестраи- ваемьЕ г генераторы, выходы которых

с

0

5

0 5 0 50

5

-

с

соединены с входами дифференциапьного частотомера, первым и вторым входами автоматического переключателя, выход которого соединен с входом формирователя импульсов и через емкостный датчик - с входом преобразователя ток - напряжение, источник питания, переключатель режимов работы и отсчетно- регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и автоматизации процесса измерения, в него введены функгщональньй преобразователь, блок управления, логический элемент И-НЕ и параллельно соединенные между собой цифровой фазометр и схема перемножения, первые входы которых соединены с выходом автоматического переключателя, вторые входы объединены и подключены к выходу преобразователя ток - напряжение, выход схемы перемножения соединен с первым входом блока управления, выход, которого подключен к входу управляемого генератора, второй вход блока управления соединен с первым входом переключателя режимов работы и подключен к второму выходу функционального преобразователя, первый выход которого соединен с от- счетно-регистрирующнм устройством, . выполненным в виде электронно-счетного частотомера, вход функционапь- ного преобразователя через форьп рова- тель импульсов подключен к выходу автоматического переключателя, цепь управления которого соединена с выходом логического элемента И-НЕ, первый вход которого подключен к выходу переключателя режимов работы, второй вход которого соединен с вторым входом логического элемента И- НЕ и подключен к первому выходу источника питания, второй выход которого соединен с третьим входом переключателя режимов работы н подключен к нулевой шине устройства.

выход которого подключен к цепочке одновибряторов, выходы которых подключены к входам установки в О управляемого делителя частоты и счетчика импульсов соответственно, счетный вход триггера соединен с вторым выходом функционального преобразователя и через делитель частоты подключен к выходу кварцованного генеft t№ir et,tsfi

, « I

if-4 laef f&aum- ««ймкмг ао1№1я -Н

ратора, с которым соединен и счетный вход управляемого делителя частоты, выход которого является выходом функ- тдионального преобразователя, а входы управляемого делителя частоты соеди нены с выходами счетчика импульсов, подключенного к выходу логического элемента И-НЕ,

Л

«ftucffi иН

Л-я }

СМЮОЯ

и--и

re

19

фиеЛ