Устройство для контроля проводимости Советский патент 1990 года по МПК G01N27/90 

ел ел ел

с& ел

оэ

Изобретение относится к области электромагнитных методов неразрушаго- щего контроля и может быть использовано для контроля проводимости ди- электрических сред со свободными зарядами: слабоионизованный газ, плазма газового разряда в лазерах, плазмотронах, МГД-генетаторах, а также полупроводниковых материалов.

Цель изобретения - расширение области применения устройства путем осуществления контроля проводимости плазмы.

На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства , на фиг. 2 - то же, вариант выполнения; на фиг. 3 - схема проведения экспериментов по измерению проводимости плазмы газового разряда , на фиг. 4 - результаты измере- ния проводимости плазмы по длине разряда.

Устройство для контроля проводимости (фит.1) содержит последовательно соединенные автогенератор 1 с включенным в него параллельным колебательным контуром 2 и электромагнитным преобразователем 3, компенсатор 4, амплитудный детектор 5 и ре- . гистратор 6, при этом колебательный контур подключен к автогенератору через токовый шунт 7, амплитудный детектор 5 подключен к колебательному контуру, имеется второй амплитудный детектор 8, подключенный к потен- циометрическому выходу шунта, имеется блок 9 деления с тремя входами Делимое 9.1 , Делитель 9.2 и Масштаб 9.3, и выход Частное, блок 10 вычитания с входами Уменьшаемое

10.1и Вычитаемое 10.2, выход которого подключен к регистратору, вход

10.2- к компенсатору, вход 10.1 - к выходу блока 9 деления, вход 9.3 которого подключен к второму компенса- тору 11, .вход 9,2 - к выходу первого амплитудного детектора 5, а. вход 9.1к выходу второго амплитудного детектора 8.

Устройство работает следующим об- разом.

При внесении объекта контроля (ОК) в после электромагнитного преобразователя 3 автогенератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал на чатоте, равной резонансной частоте колебательного контура 2, потери которого возмещаются потреблением тока от автогенератора 1. Сигнал, пропор

Q

5

п

5

циональный току потребления, поступает через токовый шунт 7 на вход амплитудного детектора 8, а на вход детектора 5 поступает сигнал с колебательного контура 2. Сигналы, уровень которых выставляется на этапах проверки и калибровки, поступают с компенсаторов 4 и 11 на соответствующие входы блоков деления 9 и вычитания 10. На вход 9.1 блока 9 деления поступает сигнал с выхода амплитудного детектора 8, а на вход 9.2 - с выхода детектора 5. С выхода блока 9 сигнал поступает на вход 10.1 блока 10 вычитания, а с его выхода - на вход регистратора 6. На этапе измерения последний регистрирует значение искомой величины удельной электрической проводимости. Этап проверки заключается в выставлении нуля регистратора путем изменения сигнала с компенсатора 4 при внесенном в поле преобразователя эталонного ОК, а этап калибровки - в выставлении калибровочного значения путем изменения уровня сигнала на выходе компенсатора 11 при внесении калибровочного ОК.

В вариант выполнения устройства ( фиг.2) преобразователь 3 представляет собой трансформатор, первичная обмотка 12 которого включена в колебательный контур 2, а вторичная обмотка J3 цодключена к входу амплитудного детектора 8 и токовый шунт отсутствует. Работает это устройство аналогично.

Если ОК цилиндрической формы, то для контроля его проводимости можно дополнить устройство (фиг.2) задатчи- ком 14 радиуса, выход которого подключается к входу комперсатора П, а преобразователь 3 выполнить индуктивного типа, как описано. Во время рабо- ьы ОК помещают в преобразователь по описанному способу, при этом этап калибровки отсутствует, однако измеряется радиус ОК, и сигнал, пропорциональный радиусу, подается с задат- чика 14 радиуса на вход комперсатора. Работа устройства основана на следующем.

ОК помещают в переменное электро- магнитнбе поле электромагнитного преобразователя 3 в виде катушки индуктивности или электрического конденсатора, включенные в колебательный контур 2 и подколоченные к выходу автогенератора. Проводимость ОК определяпо двум измерениям какой-либо трической величины, например добости, до и после внесения ОК или внесении эталонного ОК, а затем измеряемого ОК с помощью следуювыражения для удельной электриой проводимости у :

If Уо + к (Qz - Г,.(О

$0 - проводимость среды в области, куда собираются поме- ОК, в случае измере- электрической величины после помещения ОК в электромагнитного преобразователя или проводимости эталонного ОК, помещаемого в ту же область, что и измеряемый ОК в случае, если электрическая величина измеряется при внесении эталонного ОК, а затем уже измеряемого OKJ

QJ - добротность датчика (индекс 1 соответствует добротности датчика до, индекс 2 соответствует добротности датч- ка после внесения ОК) , К - коэффициент и

щать ния, до и поле

К CJ Ј0 U/U,,

(2)

где t0 - электрическая постоянная;

U - энергия поля, запасенная в электромагнитном преобразователе;

U, - часть энергии поля U, запасенная в области, занимаемой ок;

СО - циклическая частота изменения синусоидального поля, которая определяется калибровочной путем помещения калибровочного ОК в ту же область, что и измеряемый ОК, В широкой области частот, в которой для сосредоточенных контуров с размерами, меньшими длины волны, потери на излучение пренебрежимо малы.

характерно соотношение

,

-50 -

ег

2 СО Јa n

(3)

ее

действительная часть коэффициента преломления мнимая часть коэффициента перломления

lЈl - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость ОК.

Поскольку рассматривается поле катушки индуктивности, то наличие диссипации энергии поля эквивалентно дополнительному снижению добротности контура Q:

QV +

Q; +

Q;:

с)

Qc QL - Q, добротность конденсатораJ добротность катушки индуктивности;

добротность, связанная с дополнительным поглощением энергии поля в ОК, которая определяется как

О. U U dU/dt

(5)

0

5

0

Уравнение баланса энергии dU

5

dt S -(U S

(6)

5

где Ь - вектор потока электромагнитного поля,

fu - коэффициент затухания, равный в случае монохроматической волны удвоенному значению мнимой составляющей волнового числа К. Интегрируя (6) по всей области поля электромагнитного преобразователя (vo| распространения поля за период изменения тока катушки индуктивности, учитывают, что К 0 вне области ОК

w- . - ,,

div SdV Ф Sdn 0,

. j. J

так как потери на излучение в сосредоточенном контуре пренебрежимо малы. Тогда, с учетом (5) , (6) и S (с - скорость света)

л-(- -

Ц dV/ J

iw W

(7)

где S, амплитудные значения

потока и поля соответственно.

Из (4) и (7) следует напряжение через измеряемые величины (1) и (2) для у если переобозначить интегралы в квадратных скобках.

В частности, если ОК цилиндрической формы, то с целью сокращения времени измерений его целесообразно

поместить в центр круговой катушки индуктивности высотой меньше, чем высота ОК, а коэффициент

К 2 Ј„с/И,

где R - радиус ОК;

с - скорость света в вакууме, определяют путем определения радиуса ОК с помошью задатчика 14 радиуса.

В этом случае одна или две обмотки электромагнитного преобразователя 3 выполнены в виде соосных круговых катушек индуктивности высотой меньше чем высота ОК.

В основе построения блок-схемы устройства лежат выражения (1) и (3) и следующее выражение для добротност колебательного контура на резонансной частоте:

Q7 (I2 - I,) - Z/E, (8)

де 1г, I, 25

Е 7 -амплитуды тока, потребляемого колебательным контуром, от автогенератора 1 до и после внесения ОК, определяемые с помощью амплитудного детектора 8 по сигналу шунта ;

амплитуда напряжения на колебательном контуре, определяемая с помощью амплитудного детектора 5J модуль комплексного со- 35 противления преобразователя:

30

Z 1/(о-С),

где С - емкость емкостного преобразователя, или

Z CJ- L,

где L - индуктивность преобразователя в виде катушки индуктивности или индуктивность первичной обмотки преобразователя в виде трансформатора.

Отношение 1,/Е и I2/E формируется блоком 9 деления по выходным сигналам амплитудных детекторов 8 и 5, разность (1г - Tt)Z/E формируется блоком Ю вычитания с помощью компенсаторов 4 и 11 и индицируется на регистраторе 6.

Пример. Проводят измерения проводимости плазмы тлеющего разряда

5

0

5

5

0

0

5

0

5

в потоке газа He, протекавшего через трубку с внутренним диаметром 18 мм и длиной между катодом и анодом 15 см. Емкость конденсатора

15(фиг.З) колебательного контура

С 279 пФ, а индуктивность катушки

16L 41,5 мкГн при числе витков N 32. Резонансная частота контура лежит в области 1,48 МГц, и частота автогенератора 17 подстраивается под частоту колебательного контура при каждом измерении. Результаты измерений обрабатываются на основе формул (1) и (3) с помощью блока 18, построенного согласно блок-схеме устройства (фиг Л). На фиг. 4 приведены результаты измерений удельной электрической проводимости (точки),

а также результаты расчета (линия I.I - при токе 40 мА, линия II.II - при токе 20 мА). Последние выполнены в предположении постоянства отношения E/N в положительном столбе с учетом катодного падения и тепловыделения в разряде. Однако расчет не предполагает условий, приводящих к возникновению темного фарадеев- ского пространства 1, визуально наблюдаемого в прикатодной области при токе 20 мА, но отсутствовавшего при токе 40 мА. В других частях разряда результаты измерения и расчета хорошо согласуются между собой.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля проводимости, содержажее электромагнитный преобразователь, к входу которого подключены параллельный колебательный контур и выход автогенератора, первый компенсатор, первый амплитудный детектор и регистратор, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства путем осуществления контроля проводимости плазмы, в него введены второй амплитудный детектор, второй компенсатор, блок вычитания, блок деления, электромагнитный преобразователь, выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого соединена с входом электромагнитного преобразователя, вторичная обмотка соединена с выходом электромагнитного преобразователя, который соединен с входом первого амплитудного детектора, параллельный колебательный контур соединен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам блока деления, третий вход которого соединен с выходом первого компенсатора, выход блока деления соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго компенсатора, выход блока вычитания соединен с входом регистратора.

2. Устройстой по п. 1, отличающееся тем, что электромагнитный преобразователь выполнен в

виде параллельного колебательного контура, между выходом автогенератора и параллельным колебательным контуром включен токовый шунт, потенциальные выводы которого соединены с входом первого амплитудного детектора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени контроля объекта контроля цилиндрической формы, электромагнитный преобразователь имеет высоту, меньшую, чем объект контроля, а к входу второго компенсатора подключен задатчик радиуса объекта контроля.

Изобретение относится к технике измерения проводимости сред и может быть использовано при контроле проводимости плазмы, полупроводников и т.п. Цель изобретения - расширение области применения устройства на контроль проводимости плазмы. Объект контроля помещается в область поля электромагнитного преобразователя 3, включенного в колебательный контур 2, подпитываемый автогенератором 1. Контролируются ток потребления автогенератора 1 с помощью шунта 7 и амплитудного детектора 8 и напряжение на колебательном контуре с помощью амплитудного детектора 5. Отношение этих величин, формируемое блоком 9 деления после обработки с помощью блока 10 вычитания и компенсаторов 4, 11, пересчитывается на основе выражений, выведенных в описании изобретения, в значение проводимости контролируемой среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Фм.З

щ

м-/ч

14 23 П

21 20 19

18 М 16 15

14 73 11

11

10 9

6

Ж

О 1 I Ъ Ч 5 6 7 8 9 Ю 11 11 К Х$н

Фие.Ч

I D-J

а

|I..