Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля материалов с помощью высокочастотного электрического поля и может быть использовано для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразования, иглопробивания, термоусадки и т.п.

Известно устройство для контроля диэлектрических потерь веществ и материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокЬпотенци- альный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, высокочастотный генератор, соединенный через балластный резистор с высокопотенциальным электродом, множительную схему, к выходу которой подключены соединенные последовательно фильтр низкой частоты, усилитель, управляемый выпрямитель и регистрирующий прибор, переключатель и мультивибратор, подключенный к управляющим входом переключателя и выпрямителя, а также фа- зорасщепитель, регулируемый усилитель высокой частоты, блок стабилизированных напряжений и интегросумматор. один вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты, второй вход и вход начальных условий - к блоку стабилизированных напряжений, а выход соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, включенного между высокопотенциальным электродом и первым входом множительной схемы, второй вход которой через переключатель соединен с выходами фазо- расщепителя, подключенного к выходу вы сокочастотного генератора.

Шкала регистрирующего прибора проградуирована в значениях тангенса угла диэлектрических потерь контролируе 400 О

о

4

мого вещества или материала. При изменении объемной плотности контролируемого материала вследствие иглопрошивания, термоусадки и т.п. изменяются диэлектрические потери в поле датчика, что не обеспечивает высокой точности измерения объемной плот- . Кроме того, нестабильность фазовра- щ ателя и малая крутизна преобразования а пё рй даческойГф а зочувствител ьной схемы увеличивают погрешности устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальный и эквипотенциальный дополнительные электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, два высокочастотных управляемых генератора, выходы которых через два высокочастотных усилителя подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с входом колебательного контура, выход соединен с высоко-, потенциальным электродом и через повторитель напряжения с эквипотенциальными дополнительными электродами, а также с одним входом множительной схемы, второй вход которой подключен к выходу сумматора, к выходу множительной схемы подключены последовательно соединенные фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, управляемый выпрямитель, управляющий вход которого подключен к выходу мультивибратора, регистрирующий прибор, к выходу мультивибратора подключен триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей, одни зажимы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а другие соответственно ко входам питания высокочастотных генераторов, к выходу сумматора подключены также последовательно соединенные амплитудный детектор, второй фильтр низкой частоты, второй усилитель низкой частоты, второй управляемый выпрямитель, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного усилителя, а управляющий вход с выходом мультивибратора, вторичная обмотка автотрансформатора шунтирована подстроечным конденсатором.

Недостатком этого устройства является также невысокая точность измерения объемной плотности из-за неизбежной нестабильности двух независимых высокочастотных генераторов. Взаимная расстройка генераторов вызывает смещение рабочих точек на левой л правой ветвях резонансной кривой, что вызывает появление ложного сигнала о расстройке колебательного контура.

Цель изобретения - повышение точности измерения объемной плотности в процессе непрерывного контроля за счет возбуждения колебательного контура одним генератором.

На чертеже показана блок-схема устройства для контроля объемной плотности диэлектрических материалов.

Устройство содержит диэлектрическое основание 1 датчика, на котором расположены

высокопотенциальный 2, низкопотенциальный 3, первый 4 и второй 5 эквипотенциальные электроды. Электроды выполнены в виде компланарны кон центрических колец, при этом электрод 5 расположен между электродами 3

и 2, а электрод 4 является внешним. В устройство входят также кварцевый высокочастотный генератор б, первый блок 7 умножения, первый 8 и второй 9 делитель частоты, первый фильтр низкой частоты (ФНЧ) 10,

фильтр высокой частоты (ФВЧ) 11, сумматор 12, первый 13 и второй 14 управляемые ключи, автотрансформатор 15 с параллельно подключенными подстроечным конденсатором 16 ,образующие колебательный контур,

повторитель напряжения (ПН), второй блок умножения 18, избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20, второй ФНЧ 21, усилитель низкой частоты 22, управляемый выпрямитель 23 и регистратор 24. Электрод 4

через ПН 17 соединен с выходом сумматора 12, первым входом блока 7, электродом 2 и одним из выводов колебательного контура, второй вывод которого соединен с электродом 3. Выход генератора 6 соединен с первым

входом блока 18 и со входом делителя частоты 8, выход которого подсоединен ко второму входу блока 18 и по входу второго делителя частоты 9. Выход блока 18 соединен со входами ФВЧ 11 и ФНЧ 21, выходы которых подключены по входам сумматора 12 и через ключи 13 и 14 со вторым входом блока 7. выход которого через последовательно соединенные избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20, ФНЧ 10. усилитель

22 и управляемый выпрямитель-23 с регистратором 24. Выходы второго делителя частоты 9 соединены с управляющими входами ключей 13 и 14 и выпрямителя 23.

Устройство работает следующим образом. Диэлектрическое основание 1 датчика с высокопотенциальным 2 и низкопотенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в материал с контролируемой объемной плотностью. 8

такой системе емкость датчика пропорциональна диэлектрической проницаемости материала и зависит от его плотности

iBh

1ИП rt

c(p)«A(ei+Ј5-igjrja),

lon+q

где ei - относительная диэлектрическая проницаемость подложки датчика;

Ј2 относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала, при неизменном составе последнего, пропорциональная его объемной плотности;

Ј2 И

q РО 4-Јч коэффициент, отражаю-.

щий различие в диэлектрических свойствах контролируемого материала и окружающей среды;

ез - относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха);

А, В - постоянные коэффициенты, определяемые площадью конденсатора датчика, шириной электродов и зазоров между Ними;

h - толщина контролируемого материала.

Электрическое поле датчика создается с помощью сигнала генератора б частотой СО- (Оо

Ue Um6Cos(aA t -i- p.

(2).

где «о - резонансная частота резонансного контура.

Сигнал Кб перемножается в блоке 18с ™ сигналом низкой частоты Q

Us Umecos( t + 9%)

(3)

нижней боковой частоты резонансной кривой, а составляющая суммарной частоты uJb ыь + Q сигнал верхней боковой частоты относительно резонансной.

Из двухчастотного сигнала (5) выделяют раздельно фильтрами 10 и 21 сигналы разностной и суммарной частот

U21 Bk nkpUmi Um8 COS.(Wf,t + 0H № ). (6)

Ult k n kc Um1 Ume COS (ttAct ),(7)

где kp и kc - коэффициенты фильтрации на частотах Юр и аь.

Сигналы разностной (6) и суммарной (7) частот суммируются в сумматоре 12 и возбуждают первичную обмотку автотрансформатора 15, к вторичной обмотке которого подключены подстроенный конденсатор 16 и емкость электродной системы: измерительный электрод 2 - контролируемый электрод 3, на нижней (разностной) и верхней (суммарной) боковых частотах.

Комплексный коэффициент передачи резонансного контура, образованного автотрансформатором 15, подстроечным конденсатором 16, электродами 2,3, при малых расстройках определяется выражением

kfan- U2(aO Q . 1 К{Ш) Ui(ft) j T + jAQ

(8)

Область использования: текстильная промышленность, например, контроль нетканых материалов из синтетических материалов. Сущность изобретения: предложено автоматизированное устройство для регистрации параметров резонансного контура, состоящего из автотрансформатора, подстроенного конденсатора и электродной системы. Возбуждение осуществляется на двух симметричных относительно резонансного контура частотах, соответствующих наиболее крутым участкам резонансной кривой. Все частоты осуществляют кратным делением частоты кварцованного генератора, что обеспечивает высокую точность измерения объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразования, иглопробивания и термоусадки путем непрерывного возбуждения резонансного контура. 1 ил, (Л С

который формируется делителем частоты 8 с коэффициентом деления щ. Значение низкой частоты Q аь m выбирают приблизительно равным половине ширины резонансной кривой на уровне, соответствующим точкам максимальной крутизны резонансной кривой колебательного контура, т.е. частота

)/2 ftJb/m .

(4)

В результате перемножения сигналов от генератора 6 и делителя 8 в блоке 18 формируется двухчастотный сигнал с подавленной резонансной частотой соь и бо- ел ковыми частотами вида УЬ ±Q

t

UB k nUm1Um8{cos(ftfe -Q)t pB + + cos(ftfc+Q) +(,(5)55

где k n - масштабный коэффициент преобразования блока 18.

Составляющая разностной частоты Оф ЙА - И представляет собой сигнал

1/LC - резонансная частота конгдей о:тура;

с - емкость, образуемая электродной системой 2 - 3 и подстроечным конденсатором 16, выходящим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала;

L - индуктивность контура, определяемая автотрансформатором 15,

Q Wo L/r - добротность резонансного контура, с сопротивлением потерь г;

о fife 2 Дш

(Оо (D(Оо

расстройка контура;

ДСУ - абсолютная расстройка контура.

При этом модуль коэффициента передачи контура

относительная

k

Q

1 +(AQ)2 а аргумент коэффициента передачи

y arctgAQ,(10)

(9)

Напряжение на резонансном контура с учетом амплитуд и начальных фаз гармонических составляющих боковых частот определяется выражением:

UiH pkpUmi Uma cos (ft)p t + p - pa + pp )+

+ k ckcUml (ttfct ),

(11)

где k p и k c - коэффициент передачи резонансного контура на частоте со и аь соответственно:

фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром на частотах мр и % соответственно.

Параметры резонансного контура подобраны таким образом, что для частоты ЮР кривой ненагруженного датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ (Я -0,83), а для частоты б«с - на аналогичной точке правой ветви резонансной кривой (А + 0,83). Коэффициент передачи резонансного контура на частоте (Ур определяется его расстройкой на этой частоте

(12)

(13)

P Vl+(ApQ)2 на частоте ok соответственно

fc,- . Q , ..

Vi ч-сЛсО)2

а фазовые сдвиги гармонических со ставля- ющих напряжения Uis по отношению к соответствующим составляющим на выходе сумматора 12 определяется выражениями:

(pp arctgQ Ap, pc arctgQ Д«,

(14)

где Др - - jjjЈ - относительная расстройка контура на частоте ttfp;

Дс тлг тлг относительная расстройIMQ

ка контура на частоте вь,

Напряжение Uis поступает на первый вход блока 7, на второй вход которой поочередно воздействуют напряжения от фильтра 10 и 21 через ключи 13 и 14, которые периодически переключаются выходным напряжением делителя 9 частоты с коэффициентом деления па. При замкнутом ключе 13 и разомкнутом ключе 14 выходное напряжение множительной схемы 18 определяется произведением напряжений:

иХМЛ ХКрМ« «и вео9Мк1Г

)Um8cos(oclH,4lpe+ ),tUn,eC05(Wci-Kf1 8)-

4 Kn4Mc,(,-(f84Cfft tq, cos ЦЬ1р,-ср8+ср,,-ас{

,(ocbCf,4Cf8+ (15) 41)C4- CDcbq,4 Cy8yco5(oeitCJ,4lp8 tpt- Ocl-4,)

где - масштабный коэффициент преобразования множительной схемы 18.

Составляющая резонансной частоты «с - Q)p - 2 И усиливается избирательным

усилителем 19, настроенным на удвоенное значение выходной частоты делителя 8

25

k2 U i9 -y-k pkpkcUSnU&ex

х cos (Bp t -f p - рв + fr - (DC t - pi - /%)

30 ТГ k р kp kc X x cos (2 Qt 4-2 pa - pp)f

(16)

При замкнутом ключе 14 и разомкнутом 13 выходное напряжение множительной схемы 18 определяется произведением:

Oj«ltJU,eOw.k liK pUm1U«eeo5(apt4 +Cfp}-K1ЈKcUmiUmeco5(coc{441 &4ipcx

KpUw,UmeO 5h lKf-4e|-Tf JUiu B

co5()-q)8+q p coftttft-if tcos(«(){.+

,-4 P- -4ac|8),u5,8 (aci4ci,i4 8+tfc+Wpit,( c3cb .+Чв)

Тогда выходное напряжение избирательного усилителя 19 имеет вид

- - kp k c kc U U&8 x

X COS(ufct -(Wpt +yfc)

rt

- -y- kp k c kc uSu IU8 x x cos (2 Qt +2 pe + pc)t

(18)

При периодической работе ключей 13 и 14 с частотой О О/па выходное напряжение избирательного усилителя 19 состоит из пакетов напряжений частоты 2 Q, которое детектируется амплитудным детектором 20. Постоянные составляющие продетектиро- ванных напряжений выделяются фильтром 10 низкой частоты и поочередно с частотой переключения ключей 13 и 14 воздействуют на вход усилителя 22 низкой частоты с коэффициентом усиления ky.

Переменная составляющая напряжений (16) и (18) усиливается и с амплитудой

Ui2 - k c)

л kckpk nx

выпрямляется управляемым с частотой коммутации Qs выпрямителем 23 и фиксируется регистратором 24.

При ненагруженном датчике коэффициенты передач резонансного контура на боковых частотах со и аь равны (k p k c). Поэтому переменная составляющая напряжения U22 0.

При контакте электродов 2-3 датчика с контролируемым материалом & зависимости от значения его объемной плотности происходит расстройка резонансного контура относительно частоты (а

1

1

ТПГ 1(С + ДС)

(20)

где Л С - вносимая контролируемым материалом емкость, пропорциональная объемной плотности материала р.

В случае контакта электродов датчика с контролируемым материалом составляющая A Јi выражения (1) постоянна и тогда это выражение относительно приращения емкости АС от изменения объемной плотности/ контролируется материала приобретает вид;

ACfc)AЈ2

Bh

lBh+q

(21)

Из выражения (21) следует, что при неизменной геометрии датчика, диэлектрических свойств окружающей среды (ез) и постоянной толщине контролируемого материала (h),rip и ращение емкости АС пропорционально изменению объемной плотности/) контролируемого материала.

Эти приращения ДС приводят к смещению рабочих точек на правой и левой ветвях резонансной кривой контура. Коэффициент передачи контура н§ чистоте й)р увеличива- ется до значения

СГ

10

Шо/

(22)

15

а коэффициент передачи контура на частоте ffit уменьшится до значения:

20

Q

1 -f

(°

.. 2((5са) Г

(Оо

)

(23)

где Q - добротность контура с увеличением долог нительных потерь, возникающих в матер зле 5.

При этом возникает неравенство ампли1туд() пакетов напряжений на входе усилителя 22 Усилителем 22 усиливается переменная составляющая с частотой переключения ключей 13 и 14, пропорциональная разности амплитуд высокочастотных

напряжения о)р и Шс на выходе резонансного контура Усиленное напряжение поступает на управляемый выпрямитель 23 и фиксируется регистратором 24, шкала которого градуируется в единица объемной плотности.

Формула изобретения Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических Материалов, содержащее многоэлектродный датчик,

высокочастотный генератор, сумматор, повторитель напряжения, колебательный контур в виде параллельног ГЪоёдинения автотрансформатора и подстроечного конденсатора, первый блок умножения, два управляемых ключа и йобтГедбвательно соединенные амплитудный детектор, первый фильтр низкой частоты, усилитель низкой частоты, управляемый выпрямитель и регистратор, причем датчик выполнен в виде диэлектрического основания, на котором расположены высокопотенциальный, низ- копотенциэльный и два эквипотенциальных электрода, выполненных в компланарных концентрических колец, при этом один из

эквипотенциальных электродов расположен между Низкопотенциальным и высокопотенциальным электродами, а внешний эквипотенциальный электрод через повторитель напряжения соединен с выходом

сумматора, первым входом блока умножения, высокопотенциальным электродом и одним из выводов колебательного контура, второй вывод которого соединен с ниэкопо- т енциальным электродом, отличающее- с я тем. что, с целью повышения точности, в него введены избирательный усилитель, фильтр высокой частоты, второй фильтр низкой частоты, второй блок умножения, первый и второй делители частоты, соединенные последовательно, причем вход первого делителя частоты соединен с выходом генератора и первым входом второго блока умножения, к второму входу которого подключен выход первого делителя частоты, выход второго блока умножения соединен со входами фильтра высокой частоты и второго фильтра низкой частоты, выходы которых подключены к входам сумматора и через ключи соединены с вторым входом первого блока умножения, к выходу которого подключен избирательный усилитель, к выходу которого подключен

амплитудный детектор, причем выходы второго делителя частоты соединены с управляющими входами ключей и выпрямителя, а высокочастотный генератор выполнен кварцованным.