Диэлькометр Советский патент 1988 года по МПК G01N27/22 

00

&о &о

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения влажности, использующим диэлькометрический (емкостный метод, и может найти применение для измерения влажности зерна, минераль- ,ных удобрений, продуктов обогащения горно-химического сырья.

Цель изобретения - повъшение точ- ности измерения диэлектрической проницаемости материала с высокой проводимостью.

На фиг. 1 показана функциональная схема диэлькометра; на фиг. 2 эк- вивалентная схема автогенератора; на фиг. 3 - эпюры напряжения на затворе и .тока стока; на фиг. 4 - нормированная зависимость крутизны поле вого транзистора от тока стока; на фиг, 5 - зависимость тока стока, напряжения на затворе и напряжения шина - питание - сток от проводимости датчика; на фиг. 6 - график, показывающий влияние тангенса угла потерь суммарной емкости контура на частоту автогенератора,

Диэлькометр состоит из датчика 1, автогенератора 2, вторичного преоб- . разователя 3, регулятора 4 напряжени и регистрирующего прибора 5. Автогенратор 2 вьшолнен на полевом транзисторе 6, в цепь стока-которого включе измерительный контур, образованньш катушкой 7, конденсатором 8 и датчиком 1, включенный через разделительный коьщенсатор. Катушка 9 обратной связи, индуктивно связанная с катущ- кой 7, через резистор 10 гридлика и

источник.11 смещения подсоединена к

общей шине, Поляр ность источника смещения соответствует полярности источника питания. Резистор 12 автосмеще- ния зашунтирован конденсатором и выполнен переменным,

Вторичньш преобразователь 3 состоит из гетеродина 13, фильтра 14 нижних частот и преобразователя 15 частота - напряжение. Стабилизатор напряжения состоит из дифференциального усилителя 16, источника 17 опорного напряжения, регулирующего элемента на транзисторе 18 и согласующего усилителя 19, Полярность источника 17 опорного напряжения обратна источнику питания.

На фиг. 1-6 обозначены: Ер - напряжения питания автогенератора и ди элькометра соответственно fр, п. s

;F - частота автогенератора, опорная и разность этих частот соответственно и... и,, - постоянная составляющая

и о

напряжений на стоке и затворе поле-

- певого транзистора; U , U,, V ременные напряжения на контуре, затворе и катушке 9; R - сопротивление датчика, С - суммарная емкость датчика 1 и конденсатора 8; L, - индуктивности катушек 7 и 9 соответственно; Zgj - входной импеданс транзистора, ij,-ток стока, Е Ej. - Uj эквивалентное напряжение питания при общем стоке (заземпемком), 2 w t - безразмерное время, фаза в течение одного периода; S - крутизна транзистора врабочей точке, (. ток стока, при котором крутизна транзистора достигает своего максимального значения I & f отклонение частоты автогенератора при нагрузке от частоты ненагруженного генератора f.

Изменение емкости датчика 1, вызванное диэлектрической проницаемостью материала, помещенного в нем, изменяет частоту автогенератора 2. Опорная частота автогенератора выбрана так, что при пустом датчике разность частот F f(jp-fp 0. С ростом диэлектрической проницаемости материала частота F растет, а следовательно, растет и напряжение на выходе преобразователя частота - напряжение. При малых изменениях емкости, что достигается включением параллельно датчику (по радиочастоте) конденсатора 8, показание регистрирующего прибора пропорционально диэлектрической проницаемости материала.

Анализ характеристик палевых транзисторов, в частности зависимости крутизны от тока, показьшает, что при правильном выборе режима их работы возможно осуществить саморегулирование крутизны транзисторов так, чтобы во всем рабочем диапазоне выт полнялось условие

50

Sjsk - tg 5 0.

Характеристика полевых транзисторов такова, что крутизна их на начальном участке линейно зависит от тока стока (фиг, 4),

График (фиг. 4) является усредненным, реальные значения oL , учитывающие разброс параметров полевых транзисторов и соответствующие линейному

участку изменения крутизны от тока, .

Для выполнения условия (1) необходимо, чтобы с ростом tg величи- на смещения пропорционально уменьшалась, переводя рабочую точку в область больших токов. В дИэлькометре это достигается тем, что автогенератор содержит источник 11 смещения, величина напряжения которого гарантированно вводит транзистор в Hacbmje ние при любой на грузке. Отрицательное, т.е. запирающее смещение, образуется затворным детектированием напряжения обратной связи и падает на ,резисторе 10. В таком режиме транзистор 6 работает с затворньми токами. Точная установка режима производится изменением величины k и сопротивления резистора 10. Величина этого сопротивления может изменяться . от 1 до 30 кОм в зависимости от тока :и типа транзистора. Хотя цепь автосмещения (резистор 12) необязательна, ее отсутствие при положительной полярности смещения при вводит к токовому пробою транзистора при срьше генерации. Так как на резисторе 12 автосмещения падает напря жение, не удается осуществлять равенство. Поэтому в диэлькометр введен стабилизатор, назначение которог поддерживать неизменным напряжение Е

Е - и. Когда произведение коэффициента усиления усилителя и ослабления, вносимого резистором 12, равно единице, напряжение Е равно напряжению опорного источника. В зависимости от положения движка резиС - тора напряжение Е Е,. - ростом тока ерез транзистор 6 возрастает, падает или остается неизменным. Это необходимо для настройки диэлькомет- ра, так как для чкаждого транзистора

макс маис величины индивидуальные. На фиг. 5 даны эксперимен

тальные зависимости тока стока напряжения на затворе U

С

V и напряжение Е, снятые при установке неизменной част.оты генерации изменением напряжения EJ. для транзистора при L 25 мкГн, С 680 пф, k 0,7. Проводимость нагрузки b 1/R 0-10 мСм (отоо до 100 Ом), частота f 872i iO,2 кГц.

На фиг. 6 приведены эпюры относительной погрешности для индивидуально настроенных диэлькометров при на личии стабилизатора с органом настройки (фиг. 6а) и при его отсутствии (фиг. 66).

Диэлькометр позволяет производить измерения при тангенсе угла потерь колебательного контура свьшге трех, при этом погрешность не превьш1ает 0,15%. При измерении диэлектрической проницаемости при tgo 0,5 погрешность измерения уменьшается на 1-1,5 порядка по сравнению с автогенераторами, работающими с постоянной крутизной.

Формула изоб-ретения

Диэлькометр,содержащий измерительный контур с емкостным датчиком, включенный в автогенератор, выполненный на полевом транзисторе, содержащем сопротивление автосмещения и вторичный преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения диэлектричес- кей проницаемости материала с высокой проводимостью, ОН содержат регулятор напряжения стока, управляющий вход которого подключен к движку резистора автосмещения.

VSOOOPg

17

f8

//

16

A/f«/,5 j

I

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для измерения влажности зерна, минеральных удобрений, продуктов обогащения горно-химического сырья. Цель - повышение точности измерений диэлектрической проницаемости материалов с высокой проводимостью. Диэлькометр содержит измерительный автогенератор на полевом транзисторе с автосмещением, регулятор напряжения стока, управляющий вход которого соединен с движком резистора автосмещения. Повышение точности измерений достигается за счет создания в генераторе режима коьшенсирующего изменения крутизны характеристики транзистора. 6 ил. о (Л

fon

Првбодимост

15

(Pue.i

Vuz.2

0.2

9iL3.3

так

0.0,6

Фиг,

0,8

2 4 6 8 ЮнСм

2 4- 5 8 ЮнСм