Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений Советский патент 1991 года по МПК G01R27/02 

СО

с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для физико-химических исследований, например для измерения параметров влажности, концентрации и т.п. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений. Устройство для кондук- тометрических и диэлектрических измерений содержит генератор высокой частоты 6, измерительный конденсатор 7, амплитудный детектор 9 и амплитудный модулятор 11. Введение в устройство генератора низкой частоты 1, переключателей 2 и 3, синхронных детекторов 4 и 5, эталонного элемента 8, запоминающего конденсатора 10, частотного детектора 12, усилителей низкой частоты 13 и 14, регистраторов 15 и 16 позволяет повысить чувствительность и точность измерений за счет исключения погрешностей, вызываемых дрейфовыми явлениями. 2 ил.

о VI ю

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для физико-химических исследований, например, влажности, концентрации и т.п.

Цель изобретения - повышение чувст- вительности и точности измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для кондуктометрических и диэлектрических измерений; на фиг. 2 - принципиальная схема устройства и систе- мы автоматической стабилизации его режима.

Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений содержит генератор 1 низкой частоты, коммутаторы 2 и 3, два синхронных детектора 4 и 5, генератор 6 высокой частоты, измерительный конденсатор 7, эталонный элемент 8, амплитудный детектор 9, запоминающий конденсатор 10, амплитудный модулятор 11, частотный де- тектор 12, два усилителя 13 и 14 низкой частоты, два регистратора 15 и 16.

Кроме того, устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений (фиг. 2) содержит вакуумный триод 17, ка- тушку 18 индуктивности, первый конденсатор 19, второй конденсатор 20, первый резистор 21, сопротивление нагрузки 22 катодного повторителя, сопротивление нагрузки 23 усилителя напряжения, третий конденса- тор 24, разделительный конденсатор 25, диод 26, второй 27 и третий 28 резисторы, второй конденсатор 29, операционный усилитель 30, потенциометр 31, четвертый резистор 32, пятый резистор 33, первый 34 и второй 35 транзисторы, шестой резистор 36, контрольные выходы устройства 37-42.

Устройство работает следующим образом.

Под действием генератора 1 коммутатор 2 периодически и на равные промежутки времени подключает к колебательному контуру генератора 6 либо измерительный конденсатор 7, либо эталонный элемент 8. В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру .генератора 6 измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает к выходу амплитудного детектора 9 заломи- нающий конденсатор 10 и вход амплитудного модулятора 11. При этом запоминающий конденсатор заряжается и напряжение на нем, а также на входе амплитудного модулятора становится равным напряжению на вы- ходе амплитудного детектора, которое, в свою очередь, определяется амплитудой колебаний генератора 6. Поскольку модулятор представляет собой инвертирующий усилитель напряжения1 а генератор получает напряжение питания с выхода-модулятора, то при увеличении амплитуды колебаний генератора напряжение питания генератора уменьшается, что приводит к установлению стабильной генерации с малой амплитудой, независимо от величины активной составляющей сопротивления измерительного конденсатора.

Таким образом, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 замыкает цепь обратной связи, которая устанавливает такое напряжение питания генератора, при котором генератор работает с малой амплитудой колебаний, т.е. вблизи порога самовозбуждения в мягком режиме.

В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора 6 эталонный элемент 8, коммутатор 3 отключает запоминающий конденсатор и вход амплитудного модулятора от выхода амплитудного детектора. При этом цепь обратной связи, стабилизирующая амплитуду генератора, разрывается, но напряжение питания генератора не изменяется благодаря тому, что модулятор имеет высокое входное сопротивление и поэтому заряженный запоминающий конденсатор 10 продолжает поддерживать на входе модулятора прежнее напряжение. Поскольку длительность полупериода коммутации невелика, то дрейфовые явления не успевают существенно изменить режим работы генератора и он продолжает работать вблизи порога самовозбуждения в течение всего того полупериода коммутации, когда к колебательному контуру генератора подключен эталонный элемент.

Поскольку во время этого полупериода коммутации цепь обратной связи, стабилизирующая амплитуду генерации, разомкнута, то в течение этого полупериода коммутации амплитуда генератора зависит от уровня потерь энергии в колебательном контуре генератора, а следовательно, и от активного сопротивления эталонного элемента, Если сопротивление эталонного элемента отличается от сопротивления измерительного конденсатора, то, несмотря на постоянство напряжения питания, амплитуда генерации при периодическом переключении коммутаторов 2 и 3 будет также периодически изменяться. При этом переменная составляющая напряжения на выходе амплитудного детектора имеет вид последовательности прямо- угольных импульсов. Амплитуда этих импульсов пропорциональна разности сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента.

Так как генератор работает в мягком режиме вблизи порога самовозбуждения, то, как известно, при этом амплитуда генерации характеризуется наиболее сильной зависимостью от потерь энергии в колебательном контуре, а следовательно, и от активного сопротивления эталонного элемента: Теоретически крутизна зависимости амплитуды генерации от активного сопротивления в колебательном контуре в этом режиме стремится к бесконечности при стремлении амплитуды генерации к нулю. Следовательно, теоретически предлагаемое устройство может иметь бесконечно высокую чувствительность при измерении активного сопротивления. Практически приходится использовать не бесконечно малую, а конечную амплитуду генерации, поэтому чувствительность имеет конечное значение. Таким образом, использование коммутации измерительного конденсатора и эталонного элемента с помощью коммутатора 2, а также применение периодической (с частотой коммутации) коррекции режима генератора с помощью второго коммутатора 3 и запоминающего конденсатора 10 позволяет существенно повысить чувствительность устройства.

Если различаются не только сопротивления, но и емкости измерительного конденсатора и эталонного элемента, то переключение коммутаторов 2 и 3 будет вызывать периодическое изменение не только амплитуды, но и частоты генератора 6. При этом на выходе частотного детектора 12 появится переменное напряжение, имеющее вид последовательности прямоугольных импульсов, амплитуда которых будет пропорциональна разности емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента.

Переменные напряжения с выхода амплитудного и частотного детекторов поступают на входы усилителей 13 и 14 низкой частоты, а затем на первые входы синхронных детекторов 4 и 5. На вторые входы синхронных детекторов 4 и 5 подается напряжение с генератора 1 низкой частоты. На выходах синхронных детекторов 4 и 5 появляются постоянные напряжения, величины которых пропорциональны соответственно разности активных сопротивлений емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента. Эти напряжения поступают на регистраторы 15 и 16.

Методика проведения измерений с помощью данного устройства состоит в следующем. Устанавливается максимальная величина сопротивления резистора эталонного элемента. При этом сопротивление

эталонного элемента должно быть не менее сопротивления измерительного конденсатора. В этом случае генератор 6 должен генерировать в течение обоих полупериодов

коммутации, а показания обоих регистраторов 15 и 16 будут в общем случае отличны от нуля. Затем с помощью переменного конденсатора в эталонном элементе надо сделать нулевыми показания регистратора 16.

0 Это можно сделать с первой попытки, так как частота генерации не зависит от сопротивления колебательного контура. После выполнения этой операции емкости измерительного конденсатора и эталонного

5 элемента будут равны, и емкость измерительного конденсатора можно определить по шкале переменного конденсатора в эталонном элементе. Затем с помощью переменного резистора в эталонном элементе

0 необходимо сделать нулевыми показания регистратора 15. Это тоже можно сделать с первой попытки, так как при равенстве емкостей измерительного и эталонного элементов изменение амплитуды колебаний

5 при переключении коммутаторов 2 и 3 вызвано только различием сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента. После выполнения этой операции активное сопротивление измерительного

0 конденсатора равно активному сопротивлению резистора в эталонном элементе и может быть определено по шкале этого резистора.

Применение коммутатора, поочередно

5 подключающего измерительный конденсатор и эталонный элемент к колебательному контуру генератора, в сочетании с синхронным детектированием позволяет практически полностью исключить погрешности

0 измерения, обусловленные дрейфом частоты и нестабильностью режима работы генератора, а также медленными изменениями характеристик как генератора, так и всех других узлов устройства, за исключением

5 коммутаторов 2 и 3.

Это объясняется тем, что отсчет измеряемых величин в предлагаемом устройстве делается при нулевых показаниях регистраторов, а это условие выполняется только при

0 равенстве параметров измерительного конденсатора и эталонного элемента, независимо от медленных изменений параметров всех узлов устройства, за исключением коммутаторов 2 и 3.

5 Устройство позволяет получить необходимый результат с первой попытки.

Применение коммутатора 3 и запоминающего конденсатора 10 в цепи обратной связи для поддержания генератора у порога самовозбуждения позволяет обеспечить

максимально возможную чувствительность устройства при измерении активных сопротивлений, т.е. при проведении кондуктомет- рических исследований.

Устройство с рабочей частотой около 10 МГц можно реализовать на двойном вакуумном триоде 17 типа 6И15П (фиг. 2). Колебательный контур генератора, состоящий из катушки 18 и конденсатора 19. подключен к левой половине триода 17 через цепь автоматического смещения, состоящую из конденсатора 20 и резистора 21. Левая половина триода 17 используется как катодный повторитель. Напряжение с сопротивления нагрузки 22 катодного повторителя поступает на правую половину триода 17, который работает как усилитель напряжения. Напряжение с сопротивения нагрузки 23 усилителя напряжения через конденсатор 24 подается на колебательный контур. Тем самым обеспечивается положительная обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора. Через разделительный конденсатор 25 напряжение с катодной нагрузки 22 генераторной лампы подается на амплитудный детектор, собранный на диоде 26. Фильтром детектора является цепь из резисторов 27, 28 и конденсатора 29. Напряжение с выхода детектора через коммутатор 3 подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 30 и запоминающий конденсатор 10. На инвертирующий вход усилителя с потенциометра 31 через резистор 32 подается постоянное напряжение, величина которого, определяет стабилизируемое значение амплитуды генератора при подключении к его колебательному контуру измерительного конденсатора 7. Измерительный конденсатор 7 и эталонный элемент 8 подключаются к колебательному контуру генератора коммутатором 2. В качестве коммутаторов 2 и 3 использовались поляризованные реле типа РП-5 со снятым экранирующим кожухом.

Проводники, соединяющие контакты реле с клеммной колодкой были удалены и контакты реле соединялись с остальной частью схемы непосредственно. В качестве генератора низкой частоты, управляющего коммутаторами, можно использовать симметричный мультивибратор с частотой колебаний около 1 Гц.

Резистор 33 совместно с резисторами 32 и 36 определяют коэффициент передачи операционного усилителя. С выхода операционного усилителя сигнал поступает на со- гласующий каскад, собранный на транзисторе 34, и затем на базу транзистора 35, который управляет величиной анодного напряжения генератора. Резистор 36 является коллекторной нагрузкой транзистора 34.

Когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает выход амплитудного детектора 9 к запоминающему конденсатору 10 и неинвертирующему входу усилителя 30. При

0 этом замыкается цепь обратной связи, регулирующая амплитуду генерации. Если амплитуда генератора так мала, что напряжение на выходе амплитудного детектора меньше напряжения, снимаемого с потенцио5 метра 31 на инвертирующий вход операционного усилителя 30, то на выходе операционного усилителя 30 напряжение отрицательно, транзистор 34 закрыт, а транзистор 35 максимально открыт за счет

0 тока, текущего в его базу через резистор 36, Поэтому на генераторную лампу подается максимальное анодное напряжение и амплитуда колебаний генератора увеличивается. Когда амплитуда колебаний генерато5 ра увеличится настолько, что напряжение на выходе амплитудного детектора приблизится к напряжению, подаваемому на инвертирующий вход усилителя 30 с потенциометра 31, напряжение на выходе

0 операционного усилителя 30 начнет увеличиваться, открывая транзистор 34. За счет нарастающего коллекторного тока транзистора 34 будет увеличиваться падение напряжения на резисторе 36 и снижаться

5 напряжение на базе транзистора 35. Это приведет к снижению анодного напряжения генератора. В результате этих процессов амплитуда генератора установится на таком уровне, которому соответствует приблизи0 тельное равенство напряжений, снимаемых с выхода амплитудного детектора и с потенциометра 31.

Когда коммутатор 2 отключит измерительный конденсатор 7 от колебательного

5 контура генератора и подключит к нему эталонный элемент 8, коммутатор 3 отсоединит запоминающий конденсатор 10 и вход усилителя 30 от выхода амплитудного детектора. При этом цепь обратной связи,

0 стабилизирующая амплитуду генерации, разорвется, но напряжение питания анодной цепи генераторной лампы (триода) 17 останется прежним, так как напряжение на неинвертирующем входе усилителя 30

5 поддерживается на прежнем уровне запо-- минающим конденсатором 10. При этом, если емкость и сопротивление измерительного конденсатора не равны емкости и сопротивлению эталонного элемента, то частота и амплитуда генератора изменятся.

Эти изменения детектируются частотным и амплитудным детекторами и фиксируются регистраторами 15 и 16.

Минимальное относительное отклонение

(:

ТГ

сопротивления (-РГ) измеА

рительного конденсатора от емкости и сопротивления эталонного элемента, которые можно зарегистрировать, составляют соответственно (

Г л

«10

i-6f

AR

9,

«10

г5

С пин д р пин что приблизительно на два порядка лучше предельных характеристик, которые можно получить с тем же самым генератором без использования коммутаторов 2 и 3. Принудительное изменение частоты генератора с помощью ферритового сердечника, вводимого в катушку 18, изменение величины амплитуды генерации с помощью потенциометра 31, а также изменение коэффициентов передачи усилителей 13 и 14 низкой частоты не влияют на результаты измерений. Это подтверждает, что использование коммутаторов 2 и 3 в сочетании с синхронным детектированием позволяет устранить обусловленные дрейфовыми явлениями погрешности измерений и обеспечить более высокую чувствительность устройства.

Формула изобретения Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений,.содержащее генератор высокой частоты, первый выход

38Фиг. 2

Составитель В. Чеботова

Редактор Н. Тупица

Техред М.Моргентал

Заказ 3211ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

которого соединен с входом амплитудного детектора, второй выход генератора высокой частоты соединен с входом амплитудного модулятора, измерительный конденсатор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, в него введены эталонный элемент, два коммутатора, генератор низкой частоты, запоминающий конденсатор,

10 частотный детектор, первый и второй усилители низкой частоты, первый и второй синхронные детекторы, первый и второй регистры, входы которых подсоединены соответственно к выходам первого и второго

15 синхронных детекторов, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом генератора низкой частоты и управляющими входами первого и второго коммутаторов, эталонный элемент и изме20 рительный конденсатор через первый коммутатор соединены с генератором высокой частоты, первый выход которого соединен с входом частотного детектора, выход амплитудного модулятора соединен

25 с запоминающим конденсатором, через второй коммутатор - с выходом амплитудного детектора и первым усилителем низкой частоты, выход которого соединен с входом первого синхронного детектора, выход час30 тотного детектора соединен с входом второго усилителя низкой частоты, выход которого соединен с входом второго синхронного детектора.

Корректор Т. Палий