Устройство для определения физико-химических параметров материалов и веществ Советский патент 1992 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к диэль- кометрическим средствам определения физико-химических параметров веществ.

Известно диэлькометрическое устройство, содержащее генератор, измерительную ячейку, аппаратуру вторичного преобразователя сигнала и индикатор.

Устройство имеет следующие недостатки: невысокая чувствительность за счет пологой характеристики преобразования и недостаточная точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее датчик в виде диэлектрической подложки с тремя парами компланарных электродов, управляемый резонансный

двухполюсник, содержащий последовательно соединенные катушку индуктивности, конденсатор и два встречно включенных ва- рикана, причем выводы катушки индуктивности являются входом и выходом двухполюсника, узел соединения вариканов подсоединен к клемме управляющего входа, а узел соединения конденсатора с вари- каном - к нулевой шине устройства, включающего также дифференциальный усилитель и общую шину интерфейса и микро-ЭВМ.

Недостатки устройства - недостаточная точность измерений и невозможность полной автоматизации измерительного цикла.

Цель изобретения - повышение точности путем исключения расстройки резонанvjСЛ 00

со с VJ

3 17533874

сного контура с датчиком относительно нор-третий 13 усилители-ограничители соединемированной частоты зондирующего поля, аны с опорными входами первого 15 и второтакже автоматизация процесса измеренияго 16 синхронных детекторов. Сигнальные

путем регулирования вносимого контуромвходы синхронных детекторов 15 и 16 объефазового сдвига по нулевому значению.5 динены и подсоединены к выходу первого

На фиг. 1 приведена структурная схемаусилителя-ограничителя 11. Выход первого

устройства для определения физико-хими-синхронного детектора 15 подключен к инческих параметров материалов и веществ;версному входу дифференциального усилинафиг.2-эпюры напряжений,поясняющиетеля 14, прямой вход которого соединен с

процесс изменения частот испытательных10 входом первого аналого-цифрового преобсигналов; на фиг. 3 - блок-схема алгоритмаразователя 17 и подключен к выходу второго

работы устройства; на фиг. 4 - зависимостьсинхронного детектора 16. Выход диффедиэлектрической проницаемости Б1 отренциального усилителя 14 соединен с вховлажностиЮпшеницы.„ Д°ме ВҰаð аналого-цифрового

Устройство для ппределения физике-15 преобразователя 18.

химических параметров материалов и ве-Цепи обмена цифроуправляемых генеществ содержит датчик 1 в видераторов 21 и 22 аналого-цифровых преобрадиэлектрической подложки с тремя парамизователей 17 и 18, цифроаналогоёого

компланарных электродов 2-4. управляв-„ft преобразователя 19 и микро-ЭВМ 25 подмый резонансный двухполюсник 5, содер-20 ключен к шине интерфейса 24. Выход цифжащий последовательно соединенныероаналогового преобразователя 19

катушку 6. конденсатор 7, два встречносоединен с управляющим входом двухповключенйых варикапа 8 и 9, коммутатор 10.люсника 5.

первый 11. второй 12 и третий 13 усилители-В °снО8У предложенного технического ограничители, дифференциальный усили-25 решения положен разработанный авторами тель 14. первый 15 и второй 16 синхронныеспосо6 определения физико-химических па- детекторы первый 17 и второй 18 аналоге-раметров материалов м веществ, заключаю- цифровые преобразователи, цифроанаяого-ц ийся В том-tno Формируют первую пару вый преобразователь 19, дешифраториспытательных сигналов с равными ампли- (преобразователькодавупрааляюшдлйсмг-30 тудами и симметричными относительно нал Г или О) 20. первый 21 и второй 22нормированный частоты f0 частотами f«i и цифроупрввявемые генераторы, сумматорf 1- находящимися за пределами полосы uf0 23. интерфейс 24 и микро-ЭВМ 25.пропускания ненагруженного контура, вноПричем выводы катушки б индуктивно-ю (70-80 градусные фазовые сдвиги в

сти являются входом и выходом двухполс-35 испытательные сигналы, полученные сигнаника 5. Уаел соединения варикапов 8 и 9лы суммируют, возбуждают контур резульподсоединен к клеммам управляющего вхо-тирующим двухчастотным сигналом,

да двухполюсника 5.Узвя соединения кон-измеряют фазовые сдвиги, вносимые контуденсатора 7 с варикапом 9 подсоединен кР01 в каждый испытательный сигнал, сравнулевой шине устройства.40 нивают между собой по модулю полученные

Первый и второй входы коммутатора 10значения фазовых сдвигов на частотах f«i и объединены и подключены к обкладке вто-fei соответственно, измеряют разностную рого компланарного электрода 2. вторая об-частоту контура до равенства абсолютных кладка которого подсоединена к третьемузначений фазовых сдвигов, изменяют раз- входу коммутатора 10. Обкладки первого 345 ность частот каждой пары испытательных и третьего 4 компланарных электродов по-сигналов до значения h - fe2 - fH2, при кото- парно закорочены и соединены с нулевойР°м измеряемый фазовый сдвиг на одной из шиной устройства. Управляющий вход ком-частот достигает по модулю значения 45°, мутатора 10 соединен с выходом дешифра-измеряют значения частот f«2 и fB2, опреде- тора 20. Первый выход коммутатора 1050 ляют резонансную частоту fpo и ширину подсоединен к входу двухполюсника 5 и кполосы пропускания f0 как полусумму и входу первого усилителя-ограничителя 11.разность частот испытательных сигналов, Второй выход коммутатора 10 соединен сзатем воздействуют полем датчика на исс- нулевой шиной устройства.ледуемый материал или вещество, измеряВыход двухполюсника 5 соединен с вы-55 ют Фазовые сдвиги, вносимые контуром в

ходом сумматора 23, первый и второй входыиспытательные сигналы, сравнивают по мокоторого подключены к выходам, соответст-ДУЛЮ полученные фазовые сдвиги, сдвигают

венно, первого 21 и второго 22 цифроуправ-по частоте на одно и то же значение испыляемых генераторов через второй 12 итательные сигналы до достижения равенства модулей вносимых фазовых сдвигов на

частотах fH3 и fBi, увеличивают разность испытательных сигналов до достижения 45- градусного сдвига фаз, измеряют значения частот fH4 и fo4 испытательных сигналов, определяют резонансную частоту fpH и ширину полосы пропускания Л fH нагруженного контура как полусумму и разность частот испытательных сигналов, а значение мнимой и вещественной составляющих диэлектрической проницаемости исследуемого материала и вещества и тангенса угла диэлектрических потерь определяют из выражений

j flu 1 . «-д-

Тро

JI j ,Дтн-ДЦ.

сх - Сх Vг)

Тро

tg(5(AfH-AfoXfp°которые позволяют посредством градуиро- вочных характеристик судить о значении физико-химических параметров.

Обычно диэлектрические параметры определяют на одной или нескольких .фиксированных частотах, оговоренных стандартом или техническими условиями на контролируемый материал.

При определении комплексной диэлектрической проницаемости на частоте fo используют соответствующий резонансный двухполюсник с датчиком, настроенный на частоту fpo - fo. По градуировочным характеристикам, связывающим диэлектрические параметры с физико-химическими параметрами, судят о влажности, плотности, вязкости, пористости и. т.д. исследуемых материалов или веществ.

Работа устройства заключается в следующем.

В режиме измерения диэлектрических параметров исследуемого материала в качестве среды сравнения используют воздушную среду.

Накладывают датчик на исследуемый материал.

Включают питание устройства. С помощью пульта управления в оперативную память ЭВМ 25 вводят коды чисел (фиг.З): Nf0 - значение нормированной частоты, Nfcf - значение полосы пропускания ненагруженного контура; Ng - значение входного кода дешифратора 20; N45 - значение 45-градусного фазового сдвига; М0 - значение входного кода цифроаналогового преобразователя 19; Nroi - значение частоты выходного сигнала первого генератора 21; Nro2 - значение частоты выходного сигнала второго генератора 22.

Одновременно в память микро-ЭВМ 25 вводятся таблицы соответствия физико-химических параметров исследуемых материалов или веществ, соответствующих их

диэлектрическим характеристикам. По программе с микро-ЭВМ 25 осуществляется установка функциональных блоков 19-22 в исходное состояние. В частности, например, на вход цифроаналогового преобразователя 19 поступает код числа М0, который преобразуется в напряжение U0, обеспечивающее установку среднего значения емкостей варикапов 8 и 9. На цифровые входы дешифратора 20, в качестве которого может

быть использован, в простейшем случае, многовходовой логический элемент И, поступает код нуля,.обеспечивающий формирование соответствующего потенциала на выходе дешифратора 20 и установку коммутатора в положение, указанное на фиг. 1. На входы цифроуправляемых генераторов 21 и 22 поступают коды чисел Мяи и Nrae, устанавливающие начальные значения частот foi и fo2 этих генераторов.

Известны частотные характеристики исследуемого материала или задана частота fo. соответствующая максимальному значению амплитудно-частотной характеристики исследуемого материала.

Устройство содержит набор резонансных двухполюсников для перекрытия частотного диапазона от десятков килогерц до десятков мегагерц: 10 кГц - 50 кГц, 50 кГц - 100 кГц, 100 кГц - 1 МГц, 1 Мгц - 30 МГц. В

зависимости от требуемой нормированной частоты зондирующего поля выбирают соответствующий резонансный двухполюсник.

По значениям Nf0 и Ы#с помощью ЭВМ

25 вычисляются коды чисел Nfoi и Мгог, которые поступают на входные регистры цифроуправляемых генераторов 21 и 22 соответственно. На их выходах формируются сигналы

Ui(t)-Un,isln(2jrfHi- i);(1)

Uz(t) - Um2Sln{2 л fbi + ры),- (2)

где р и ры - начальные фазовые сдвиги, с равными амплитудами Umi Um2 Um и

симметричными относительно нормированной частоты fpo частотами fHi fo -if 1 и fbi fo + f i, находящимися за пределами полосы &fo пропускания ненагружённого резонансного двухполюсника 5, вносящего 70-80-градусные фазовые сдвиги в испытательные сигналы (1) и (2), и расположенными симметрично относительно частоты f0 (фиг.2а).

В результате на первый и второй входы сумматора 23 и входы усилителей-ограничителей 12 и 13 поступают испытательные сигналы (1) и (2) соответственно. В результате суммирования формируется сигнал

U3(t)Ui(t) + U2(t).(3)

который возбуждает резонансный двухполюсник 5 и создает соответствующее зондирующее поле датчика. Вначале поле датчика взаимодействует с воздушной средой, так как коммутатор 10 установлен в положение, указанное на фиг. 1.

Сигнал

UH(t) Ulni sln(2 я: fHi t - 0м - Дрм) + +Umi sin(25rfbit +ры + ),(4)

где Umi kHlUm, Umi kb1 Urn

KHI и kbi - коэффициенты передачи резонансного двухполюсника 5 на частотах fxi и fbi соответственно,

с выхода резонансного двухполюсника 5 поступает на сигнальные входы синхронных детекторов 15 и 16. На опорные (управляющие) вторые входы синхронных детекторов 15 и 16 поступают предварительно усилен- ные в усилителях-ограничителях 12 и 13 выходные сигналы генераторов 21 и 22 соответственно. В результате синхронного детектирования сигнала (4) на выходах детекторов 15 и 16 формируются напряжения

U5--KiApni ;(5)

Ue-KiApbi ;(6)

где Ki - коэффициент пропорциональности.

Напряжение (6), пропорциональное фазовому сдвигу , поступает на вход первого аналого-цифрового преобразователя 17. По выходному коду первого аналого- цифрового преобразователя 17, подключенного к выходу второго синхронного детектора 16, судят о значении фаэово- го сдвига Ары , вносимого резонансным двухполюсником 5 в испытательный сигнал (2) на частоте fbi.

Выходные сигналы (5) и (6) синхронных детекторов 15 и 16 поступают также на ин- версный и прямой входы дифференциального усилителя 14, выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя 18.

По выходному коду второго аналого- цифрового преобразователя судят о равенстве фазовых сдвигов (5) и (6), вносимых в испытательные сигналы (1) и (2). В случае их неравенства, т.е. при выполнении условия

|Usl 1Мили -ДриЦры),(7)

изменяют резонансную частоту контура до получения равенства

|UshUe(HflH-Ayvi ) (8) (фиг. 26,3).

5

0

0

5 0

5 0

5

0

5

Изменение резонансной частоты двухполюсника 5 осуществляют за счет изменения результирующей емкости встречно включенных варикапов 8 и 9 путем подачи на их узел соединения выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 19 (фиг.1). Входной код цифроаналогового преобразователя 19 устанавливают таким, чтобы выполнялось равенство (8). В этом случае ненагруженный резонансный двухполюсник 5 будет настроен на заданную нормированную частоту fpo fo (фиг.2б). На выходе резонансного двухполюсника 5 появится сигнал, с учетом (8), вида

L)7(t)kHlUm1Sin(2jrfHi t н1 - Др1) + + kbiUmsin(2jrfbit+pbi ), (9) который возбуждает в датчике соответствующее зондирующее поле.

Затем равномерно изменяют разность частот испытательных сигналов (1) и (2) до значения

№ fb2 - fn2 -ifo,(10)

при котором первый аналого-цифровой преобразователь 17 выдает код 45-градусного фазового сдвига, вносимого в испытательный сигнал (2), а следовательно, и в испытательный сигнал (1) (фиг.2б). Выходной сигнал резонансного двухполюсника 5 достигнет максимального уровня и опишется выражением

Ue (t) Un cos(2 n fH21 - ум) + со s x (2jrfb2t+# i)},(11)

где Unn kH2Um kb2Um 0,707 Um;

и fb2 - частоты испытательных сигналов, обеспечивающие выполнение условия (Ю),

фн и фь - начальные фазовые сдвиги испытательных сигналов.

Фиксируют значения кодов чисел NH2 и Nb2, при которых цифроуправляемые генераторы 21 и 22 формируют испытательные сигналы с частотами fH2 и fb2 при условии |±Д 45°. В результате получают

N„2 - Ksfa;(12)

Nb2 - K3fb2,(13)

где Кз - коэффициент пропорциональности.

С помощью микро-ЭВМ 25 по значениям (12) и (13) вычисляют резонансную частоту и ширину полосы пропускания ненагруженного резонансного двухполюсника 5. Полученные коды чисел

Мц 0,5(М„2 + Мь2),(14)

Ni2 Nb2-NH2(15)

заносят в оперативную память микро-ЭВМ 25.

После определения параметров ненагруженного резонансного двухполюсника 5 с датчиком по команде с ЭВМ 25 на управляющий вход коммутатора 10 с выхода дешифл

ратора 20 поступает сигнал, устанавливающий его в положение, противоположное указанному на фиг.1. В результате зондирующее поле датчика будет взаимодействовать с приложенным к нему исследуемым материалом.

В результате взаимодействия поля датчика и исследуемого материала структура зондирующего поля изменится, так как физико-химические параметры исследуемого материала или вещества отличны по своим свойствам от параметров воздуха. Это приводит к тому, что изменяется параметры резонансного двухполюсника 5 (фиг.2в): его резонансная частота и ширина полосы пропускания.

Это, в свою очередь, приведет к изменению значений коэффициентов передачи резонансного двухполюсника 5 «а частотах fH2 и fb2 испытательных сигналов и значений вносимыхфазовыхсдвигов

Д$№ и . Выходной сигнал резонансного двухполюсника 5 в данном случае опишется выражением

(t) ЦлЗ Sin (2 П fH2 t - рн1 pN2)+

+ий,з sin (2 я fb21 + ры + рь2).(16)

Где Ucn3 kH3Um, Um3 kbSUm;

Кнз и кьз коэффициенты передачи ненагруженного резонансного двухполюсника 5 на частотах и тьз соответственно;

рн1 и pbt начальные фазовые сдвиги испытательных сигналов.

Измеряют фазовые сдвиги и , вносимые нагруженным резонансным двухполюсником 5 в испытательные сигналы. На выходе первого и второго синхронных детекторов 15 и 16 по-, явятся напряжения

Uio -KiA,2;(17)

Un KiAy5b2.(18)

При нагруженном резонансном двухполюснике 5 фиксируют значения выходных кодов первого и второго аналого-цифровых преобразователей 17 и 18, равные, соответственно, значениям фазового сдвига (18) и разности модулей фазовых сдвигов испытательных сигналов (т.е. д Дуэй2 i - . При неравенстве нулю числового зйачения выходного кода второго аналого-цифрового преобразования 18, т.е. при 5Ј0, сдвигают вниз по частоте {фиг. 2) на одно и то же значение испытательные сигналы до выполнения равенства #Ъ2 или равенства нулю выходного кода преобразователя 18. Смещение частот осуществляют по командам с микро-ЭВМ 25 путем формирования и отдачи одних и тех же прираЩе- ний управляющих кодов на

цифроуправляемые генераторы 21 и 22 до момента времени установки значений Мнз и Мьз Кзтьз частот

fH3 fH2-uf;(19)

fb3 fb2-&f(20)

испытательных сигналов (фиг.2в), обеспечивающих выполнение указанного условия.

Выходной сигнал резонансного двухполюсника 5 в этом случае опишется вырзжением

Ui2 (t) UU sin (2f fH31 - pni - Аде) + + Um4Sin(2jrfb3t -f-Дде),(21) ,

i

где Um4 KHlUm, Um4 kwUm;

вносимый фазовый сдвиг. Затем по команде с микро-ЭВМ 25 формируют и подают одинаковые по величине и разные по знаку приращения кодов на входы цифроуправляемых генераторов 21 и 22 до момента времени достижения на частотах fH3 и 1ьз выходного кода первого аналого-цифрового преобразвоателя 17 значения Дуй |- / stf , равного 45-градусному фазовому сдвигу. Это достигается при разности частот испытательных сигнэ- noB&f4 fb4 - Тн4. обеспечивающей выполнение равенства 45° (фиг.2г).

Значения управляющих кодов

K3fH4 И NM - K3fb4 фИКСИруЮТ В МОМвНТ

времени выполнения указанного равенства и записывают а оперативную память микро- ЭВМ 25. По заданной программе вычисляют значения резонансной частоты fpH и ширины полосы пропускания 5 TH нагруженного контура согласно выражениям

Ni9 0.5(NM4 + Nb4);(22)

№о Мь4-Мн4.(23)

Мнимую и вещественную составляющие диэлектрической проницаемости исс- ледуемого материала и тангенса угла диэлектрических потерь вычисляют с помощью ЭВМ 25 по выражениям (фиг.З):

(24)

N

);(25)

(N20-Ni2)/Nn.(26)

По таблице, записанным в память ЭВМ 25, определяют физико-химические параметры исследуемого материала или вещества по измеренным электрофизическим параметрам (24)-(26).

В частности, например, в память ЭВМ 25 была записана таблица зависимости

е1 от влажности W зерен пшеницы для рабочей частоты контура fo 1 мГц и температуры окружающей среды 20°С (фиг.4). По

результатам измерения е1 (24) определялось значение влажности W. При Б1 3,5 влажность составила 8,4%.

В предложенном техническом решении повышение точности и автоматизации процесса измерений достигается за счет введения в устройство двух цифроуправляемых генераторов, цифроаналогового преобразователя, дешифратора, сумматора, двух син- хронныхдетекторов,двух

аналого-цифровых преобразователей и коммутатора, соединенных определенным образом между собой и с другими функциональными блоками устройства.

В частности, например, введение цифроуправляемых генераторов, дешифратора, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, сопрягаемых с микро-ЭВМ, позволило полностью автоматизировать процесс определения физико-химических параметров материалов и веществ.

В предложенном устройстве повышение точности достигается за счет введения синхронных детекторов и аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих высокоточное получение информации о вносимых фазовых сдвигах. Последние, как отмечалось, служат информативными параметрами для определения частот испытательных сигналов и, как следствие, параметров ненагруженного и нагруженного контура. Введение коммутатора также обеспечивает достижение цели изобретения, так как с его помощью осуществляется автоматическое подключение чувствительных элементов (датчика) с исследуемым материалом или средой сравнения к резонансному двухполюснику, обеспечение двух тактов или режимов работы устройства, получение информационной избыточности и высокоточное определение мнимой и вещественной составляющих диэлектрической проницаемости исследуемого материала и его тангенса угла диэлектрических потерь.

Введение сумматора позволило сформировать сигнал, возбуждающий двухполюсник с датчиком, решить проблему разделения сигналов, имеющую место при использовании в качестве возбуждающего балансно-модулированного сигнала, получаемого обычно путем смешивания сигналов с близлежащими частотами с помощью смесителя. Повышение точности измерений достигается за счет автоматической подстройки резонансной частоты двухполюсника с помощью встречно включенных варикапов, емкость которых изменяется по команде с ЭВМ с помощью управляющего сигнала, формируемого цифроаналоговым преобразователем. Оригинальным является.

подведение управляющего сигнала к узлу соединения встречно включенных варикапов. Это обеспечивает гальваническую развязку возбуждающего и управляющих

сигналов, исключение паразитных составляющих в выходном сигнале резонансного двухполюсника и, как следствие, повышение точности выделения информации о вносимых фазовых сдвигах.

0 Использование микро-ЭВМ для хранения в ее постоянной памяти градуировочной характеристики позволило получить с высокой точностью информацию о физико-химических параметрах исследуемого материала

5 или вещества.

Формула изобретения Устройство для определения физико-химических параметров материалов и веществ, содержащее датчик в виде

0 диэлектрической подложки с тремя парами компланарных электродов, управляемый резонансный двухполюсник, содержащий последовательно соединенные катушку индуктивности, конденсатор и два встречно

5 включенных варикапа, причем выводы катушки индуктивности являются входом и выходом двухполюсника, узел соединения варикапов подсоединен к клемме управляющего входа, а узел соединения конденса0 тора с варикапом - к рулевой шине устройства, включающего также дифференциальный усилитель, общую шину интерфейса и микро-ЭВМ, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и

5 автоматизации измерений, в него введены первый и второй цифроуправляемые генераторы, цифроаналоговый преобразователь, дешифратор, сумматор, первый и второй синхронные детекторы, два аналого0 цифровых преобразователя, три усилителя- ограничителя и коммутатор, первый и второй входы которого объединены и подключены к обкладке второго компланарного электрода, вторая обкладка которого подсо5 единена к третьему входу коммутатора, об- клдака первого и третьего компланарных электродов попарно закорочены и соединены с нулевой шиной устройства, управляющий вход коммутатора соединен с выходом

0 дешифратора, первый выход коммутатора подсоединен к входам двухполюсника и первого усилителя-ограничителя, а второй выход соединен с нулевой шиной устройства, выход двухполюсника подключен к выхо5 ду сумматора, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго цифроуправляемых генераторов и через второй и третий усилители-ограничители соединены с опорными входами первого и второго синхронных детекторов, сигнальные входы которых объединены и подсоединены к выходу первого усилителя-ограничителя, выход первого синхронного детектора подключен к инверсному входу дифференциального усилителя, прямой вход которого соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя и подключен к выходу второго синхронного детектора, выход дифференциального

усилителя соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, цепи обмена цифроуправляемых генераторов, аналого-цифровых преобразователей, де- шифратора, цифроаналогового преобразователя и микро-ЭВМ подключены к шине интерфейса, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом двухполюсника.

Использование: для широкого класса задач измерения физико-химических параметров методами диэлькометрии. Сущность изобретения: предложена автоматизированная двухканальная схема с перестраиваемым управляемым двухполюсником, к которому через коммутатор подключен ди- элькометрический датчик из трех компланарно выполненных электродов, причем первые обкладки электродов контактируют с исследуемым материалом, а вторые с образцовым материалом или воздушной средой. Обработка результатов в режиме On-line осуществляется микро-ЭВМ. Повышение точности и автоматизация процесса измерений достигаются за счет введения в устройство двух цифроуправляемых генераторов, цифроаналогового преобразователя, дешифратора, сумматора, двух синхронных детекторов, двух аналого-цифровых преобразователей, трех усилителей- ограничителей и коммутатора, соединенных определенным образом между собой и с другими функциональными блоками устройства. 4 ил. сл с

-

м

/ / н Гц Г « 2СвС

Ь 5 13 К 1$ П 3

Фиг. 4

W%

В/гйжмое/п г ш ницЬ1