Устройство для измерения диэлектрических характеристик Советский патент 1991 года по МПК G01R27/26 

w

w

fe

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля диэлектрических параметров жидких и твердых веществ, диэлектрические потери которых могут изменяться в широких пределах. Цель изобретения - повышение точности измерения проводимости, эквивалентной суммарным диэлектрическим потерям в исследуемом веществе, -достигается

о ел ю о

за счет исключения влияния остаточных параметров пустой и заполненной емкостной ячейки 9 на эквивалентную проводимость измерительного контура при частотах 1 мГц и более. В исходном состоянии-на выходе логического блока 15 присутствует низкий уровень напряжения, при этом к вспомогательному конденсатору 2 и входу детектора 6 через переключатели 3 и 5 подключены катушка 7 индуктивности и двухполюсник 11 связи. Блок 13 управления попеременно подключает в LC-контур ячейку 9 и градуированный конденсатор 10. Выход блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, подключен к входу запоминаюИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля иэлектрических параметров жидких и тверых веществ, диэлектрические потери в которых могут изменяться в широких пределах.

Целью изобретения является повышение точности измерения проводимости, эквивалентной суммарным диэлектрическим потерям в исследуемом веществе.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения диэлектрических характеристик; на фиг.2 приведены схемы блоков выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и управления; на фиг.З изображены временные диаграммы напряжений на выходах блока управления и амплитудного детектора.

Устройство для измерения диэлектрических характеристик содержит высокочастотный генератор 1, вспомогательный конденсатор 2, переключатели 3-5, амплитудный детектор 6, второй вход которого соединен с третьими коммутирующими контактами переключателей 3 - 5 и второй обкладкой вспомогательного конденсатора 2, катушки 7 и 8 индуктивности, вторые выводы которых соединены с первым и вторым коммутируемыми контактами переключателя 3, емкостную ячейку 9, соединенную с первым, коммутируемым контактом пере- ключателя 4, градуированный конденсатор 10, соединенный с вторым контактом переключателя 4, двухполюсники 11 и 12 связи, соединенные первыми выводами с выходом высокочастотного генератора 1, а вторыми выводами - с первым и вторым коммутируемыми контактами переключателя 5 соответственно, блок 13 управления, блок 14 выделения параметра, пропорционального

щего блока 22 переключателем 20. Контур шунтируется эталонными резисторами 16 и 17. Сигнал на выходе делителя 21 пропорционален отношению измеряемой проводимости к проводимости эталонного резистора. Результат измерения переносится в запоминающий блок 23. Дешифратор 24 готовит эталонные резисторы 16 и 17 к подключению. В более чувствительном поддиапазоне измерений подключаются двухполюсник 12 связи и катушка 8 индуктивности. Устройство для измерения диэлектрических характеристик содержит также высокочастотный генератор 1, ключи 18 и 19, переключатель 4. 3 ил.

изменению проводимости контура, первый вход которого и первый (информационный) вход блока 13 управления соединены с выходом амплитудного детектора б, логический блок (двухуровневый компаратор) 15, эталонные резисторы 16 и 17, вторые выводы которых соединены с первыми (коммутирующими) контактами ключей 18 и 19, переключатель 20, коммутирующий контакт

которого соединен с выходом блока 14, выделяющего параметр, пропорциональный изменению проводимости, делитель 21, первый вход которого соединен с первым коммутируемым (нормально замкнутым)

контактом переключателя 20, запоминающие блоки 22 и 23, дешифратор 24, содержащий два элемента и 25 и 26 и инвертор 27. Запоминающий блок 22 включен между вторым коммутируемым (нормально разомкнутым) контактом переключателя 20 и вторым входом делителя 21, выход которого соединен с входом запоминающего блока 23, выход которого через логический блок (двухуровневый компаратор) 15 связан с

первым входом дешифратора 24 и управляющими входами переключателей 3 и 5. Первые выводы катушек 7 и 8 индуктивности, эталонных резисторов 16 и 17 соединены с первыми обкладками вспомогательного

конденсатора 2, градуированного конденсатора 10, емкостной ячейки 9, первым входом амплитудного детектора 6, выходом высокочастотного генератора 1 и общей шиной. Первый и второй выходы дешифратора

24 соединены с управляющими входами ключей 18 и 19, вторые коммутируемые контакты которых соединены с второй обкладкой градуированного конденсатора 10. Третьи коммутирующие контакты переключателей 3 и 5 соединены с третьим коммутирующим контактом переключателя 4 и второй обкладкой вспомогательного конденсатора 2. Второй вход дешифратора 24 соединен с- вторым (управляющим) входом блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и с вторым выходом блока 13 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом переключателя 4 и управляющим входом переключателя 20, третий выход блока 13 управления соединен с вторым входом запоминающего блока 23, второй выход которого является выхо- дом устройства по измеряемым диэлектрическим потерям, четвертый и пятый выходы блока управления соединены с управляющими входами вспомогательного конденсатора 2 и градуированного конденсатора 10.

Первые входы инвертора 27 и элемента И 26 соединены с первым входом дешифратора 24, выход инвертора 27 соединен с первым входом элемента И 25, второй вход которого соединен с вторым входом элемента И 26 и является вторым входом дешифратора 24, выходы элементов И 25 и 26 являются первым и вторым выходами дешифратора 24 соответственно.

Блок 13 управления содержит последовательно включенные генератор 28 тактовых импульсов и счетные Т-триггеры 29 и 30, а также реверсивные двигатели 31 и 32, соединенные, соответственно, с градуированным 10 и вспомогательным 2 конденсаторами, фазочувствительные усилители 33 и 34, предназначенные для управления работой двигателей 31 и 32, элементы И 35 и 36, элемент ИЛИ 37.

Прямой выход Т-триггера 30 является первым выходом блока 13 управления и соединен с первым входом усилителя 33, предназначенного для управления настройкой контура в резонанс с помощью градуированного конденсатора 10.

Инверсный выход Т-триггера 30 соединен с первым входом усилителя 34, предназначенного для управления настройкой контура в резонанс с гтомощью вспомогательного конденсатора 2, и первыми входами элементов И 36 и ИЛИ 37, выход которого является вторым выходом блока 13 управления. Второй вход схемы ИЛИ 37 через элемент И 35 соединен с прямыми выходами Т-триггера 29 и входом Т-триггера 30.

Выход элемента И 36 является третьим выходом блока 13 управления. Второй вход элемента соединен с инверсным выходом Т-триггера 30.

Вторые входы усилителей 33 и 34 соединены с входом блока 13 управления.

Блок 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, содержит ключ 38 с нормально замкнутыми контактами, запоминающий

5 блок 39, вычитатель 40 и делитель 41.

Первые входы вычи гателя 40 и делителя 41 и первый контакт ключа 38 соединены с первым входом блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура. Второй вход вычитателя

5 40 через запоминающий блок 39 соединен с вторым контактом ключа 38. Выход вычитателя 40 соединен с вторым входом делителя 41, выход которого является выходом блока 14 выделения параметра. Управляющий

0 вход ключа 38 (блока 14) соединен с вторым входом блока 14 выделения параметра.

Устройство для измерения диэлектрических характеристик работает следующим образом.

5В исходном состоянии на выходе логического блока 15 присутствует низкий уровень напряжения, при этом через нормально замкнутые контакты переключателей 3 и 5 к вспомогательному конденсатору

0 2 и входу детектора 6 подключены катушка 7 индуктивности и двухполюсник 11 связи, обеспечивающие требуемую точность измерения диэлектрической проницаемости при максимальных диэлектрических потерях в

5 исследуемом веществе.

Блок 13 управления (прямой выход Т-триггера 30) попеременно подключает в LC- контур, образуемый катушками 7 и 8 индуктивности и вспомогательным кон- 0 денсатором 2, ячейку 9 и градуированный конденсатор 10, при этом контур настраивается в резонанс, соответственно, или вспомогательным конденсатором 2. или градуированным конденсатором 10. 5В результате настройки емкость градуированного конденсатрра 10 устанавливается равной емкости ячейки 9. и по шкале конденсатора 10 определяют диэлектрическую проницаемость Ј вещества, заполня- 0 ющего ячейку 9.

Далее в установившемся режиме настройки рассмотрим работу устройства с помощью временных диаграмм, представленных на фиг.З, на которых изображены 5 сигналы:

а - на выходе генератора 28 тактовых импульсов;

b - на выходе Т-триггера 29;

с - на прямом выходе Т-триггера 30 0 (первый выход блока 13 управления);

d - на выходе элемента ИЛИ 37 (второй выход блока 13 управления);

е - на выходе элемента И 36 (третий выход блока 13 управления);

f - на выходе амплитудного детектораб.

В промежуток времени от to до т.з к контуру подключен конденсатор 10, а выход блока 14 выделения параметра подключен к входу запоминающего блока 22 переключателем 20. От to до 12 ключи 18 и 19 разомкнуты, а в блоке 14 выделения параметра ключ 38 замкнут, в результате запоминающим блоком 39 запоминается амплитуда Uo напряжения на контуре, соответствующая собственной проводимости р& незашунти- рованного контура. От t2 до т.з высоким уровнем напряжения, поступающим с выхода элемента И 35 через элемент ИЛИ 37, ключ 38 размыкается и ключ 18 (19) замыкается. В результате градуированный конденсатор 10 шунтируется эталонным резистором 16(17), на контуре устанавливается соответствующее напряжение Уэ, поступающее на вход знаменателя делителя 41 и первый вход вычитателя 40, на второй вход которого поступает напряжение Uo с выхода запоминающего блока 39, а на выходе блока 14 (выходе делителя 41) устанавливается сигнал Uufpa), пропорциональный изменению проводимости измерительного контура, обусловленному шунтированием контура проводимостью рэ эталонного резистора 16 (17)

Uu(pb) p- , (D

где р - коэффициент передачи блока 14 выделения параметра (41).

Сигнал и-м (рэ) через переключатель 20 поступает на вход запоминающего блока 22. От ta до te на прямом выходе триггера 30 устанавливается высокий уровень напряжения, в контур вместо конденсатора 10 включается ячейка 9 с исследуемым веществом, под воздействием высокого уровня напряжения с инверсного выхода триггера 30, поступающего с выхода схемы ИЛИ 37, переключатель 38 остается разомкнутым, а переключатель 20 соединяет выход блока 14 выделения параметра с входом числителя делителя 21. В результате на контуре устанавливается напряжение Ux. соответствующее шунтированию контура проводимостью р , эквивалентной диэлектрическим потерям в веществе, заполняющим ячейку 9.

На входы вычитателя 40 поступают напряжения Uo и Ux, разность которых поступает на вход числителя делителя 41, на вход знаменателя которого поступает напряжение Ux. Таким образом, в течение времени от ta до t6 на выходе блока 14 выделения параметра формируется сигнал Ui/j(/9x), пропорциональный проводимости /Ох , эк0

вивалентной потерям в исследуемом веществе,

Uu(A) P- (2)

а на выходе делителя 21 - сигнал, равный отношению проводимостей / и рэ :

U21 рх/рэ(3)

В момент времени ts после установления показаний результат измерения проводимости переносится в Запоминающий блок 23 и индицируется в течение следующего цикла измерений.

Далее работа устройства для измерения

5 диэлектрических характеристик повторяется, Очевидно, если установить коэффициент передачи запоминающего устройства 23 равным рэ , то на его выходе будет присутствовать сигнал, численно равный проводи0 мости РХ анализируемого вещества.

Если в процессе измерения измеренная проводимость оказывается ниже порогового значения, установленного для первого грубого поддиапазона измере5 ний, то компаратор логического блока 15 подключает соответствующие второму более чувствительному поддиапазону измерения /Эх двухполюсник 12 связи и катушку 8 индуктивности и дешифратором 24 гото® вится к подключению эталонный резистор . 17, проводимость рэ которого соответствует середине второго поддиапазона измеряемых проводимостей. И обратно, если при измерении на более чувствительном поддиапазоне измеренная проводимостьрх оказывается выше установленного для этого поддиапазона порогового значения, то двухуровневый компаратор логического блока 15 подключает двухполюсник 11 связи и катушку 7 индуктивности, соответствующие поддиапазону измерения больших проводимостей, и дешифратор готовится к подключению эталонного резистора 16, проводимость которого равна среднему значению включенного более широкого поддиапазона.

За счет исключения влияния остаточных параметров пустой и заполненной ячейки на эквивалентную проводимость измерительного контура при частотах 1 МГц и более повышается точность измерения проводимости ячейки с веществом. Кроме того, в устройстве для измерения диэлектрических характеристик исключается также составля5

0

5

0

5

ющая погрешности измерения диэлектрических потерь, обусловленная изменением собственной проводимости контура, вызванной старением элементов контура и изменением температуры.

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрических характеристик веществ, содержащее высокочастотный генератор, своим выхо- дом подключенный к первым выводам первого и второго двухполюсников связи, вторые выводы которых подключены к первому и второму коммутируемым контактам первого переключателя, первую и вторую катушки индуктивности, своими первыми выводами соединенные с общей шиной, вспомогательный конденсатор переменной емкости, первая обкладка которого соединена с общей шиной, емкостную ячейку и градуированный конденсатор, своими первыми обкладками соединенные с общей шиной, а вторыми - с первым и вторым коммутируемыми контактами второго переключателя соответственно, амплитудный детектор, первый вход которого соединен с общей шиной, второй вход - с коммутирующим контактом второго переключателя, а выход - с первым входом блока выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и входом блока управления, логический блок, выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего переключателей, первый выход блока управления соединен с управляющим входом второго переключателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения диэлектрических потерь, в него дополнительно введены первый и второй эталонные резисторы с известной проводимостью, первый и второй ключи, дешифратор, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, четвертый переключатель, два запоминающих блока и де-

литель, первый вход которого соединен с первым коммутируемым контактом четвертого переключателя, второй коммутируемый контакт которого через первый запоминающий блок связан с вторым входом делителя, выход которого соединен с первым входом второго запоминающего устройства, первый выход которого через логический блок соединен с первым входом дешифратора, второй вход которого и второй вход блока выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, соединены с вторым выходом блока управления, третий выход которого соединен с вторым входом второго запоминающего блока, второй выход которого является выходом устройства по измеряемым диэлектрическим потерям, первые выводы первого и второго эталонных резисторов соединены с общей шиной и входом высокочастотного генератора, вторые выводы - с первыми коммутирующими контактами первого и второго ключей, вторые коммутируем мые контакты которых соединены с второй обкладкой градуированного конденсатора, вторые выводы первой и второй катушек индуктивности соединены с первым и вторым коммутируемыми контактами третьего переключателя, коммутирующий контакт которого соединен с коммутирующими контактами первого и второго переключателей и второй обкладкой вспомогательного конденсатора, выход блока выделения параметра соединен с третьим коммутирующим контактом четвертого переключателя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, четвертый и пятый выходы которого соединены с управляющими входами вспомогательного и градуированного конденсаторов.

Фиг, 2

Uxo)

t tt t2 t3 ty Cs Ct

ФигЗ