Способ определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01R27/26 

личины подаваемого опорного напряжения на напряжение, получаемое интегрированием низкочастотного тока, протекающего через датчик, а величину второго сигнала - в виде произведения величины подаваемого испытательного напряжения на напряжение, получаемое интегрированием высокочастотного тока, протекающего через датчик. Сравнивают величины постоянных составляющих первого и второго сигналов и изменяют амплитуду испытательного напряжения до достижения равенства этих постоянных составляющих. Далее сравнивают величины опорного и испытательного напряжений на входе емкостного датчика, измеряют отношение этих величин дополнительным изменением амплитуды опорного напряжения и определяют разность между измеренным отношением и его единичным значением, по которой судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости при изменении частоты испытательного напряжения в заданном частотном диапазоне. Устройство для определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости содержит низкочастотный генератор 1 опорного напряжения фиксированной частоты, делитель 19 частоты, последовательно соединенные высокочастотный генератор 2 испытательного напряжения регулируемой частоты и аттенюатор 3, частотомер 20, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора, первый автоматический переключатель 4, последовательно соединенные емкостный датчик 6 и конденсатор 7, последовательно соединенные блок умножения 8, первый фильтр 11 нижних частот, первый усилитель 13 частоты коммутации, первый синхронный детектор

15 и первый индикатор 17, последовательно соединенные второй автоматический переключатель 5, делитель 9 напряжения, амплитудный детектор 10, второй фильтр 12 нижних частот, второй усилитель 14 частоты коммутации, второй синхронный детектор

16 и второй индикатор 18, причем входы первого автоматического переключателя соединены с выходами низкочастотного генератора фиксированной частоты и аттенюатора, а его выход подключен к входам емкостного датчика, второго автоматического переключателя и одному из входов блока умножения, выход емкостного датчика соединен с другим входом блока умножения, управляющие входы первого и второго автоматических переключателей, первого и второго синхронных детекторов соединены через делитель частоты с выходом низкочастотного генератора. Делитель напряжения выполнен в виде последовательно соединенных переменного резистора Р или магазина резисторов и постоянного резистора Р2, сопротивление которого кратно десяти, входом делителя является высокопотенциальный зажим переменного резистора или магазина резисторов, а выходом делителя - электрическое соединение переменного резистора и постоянного резистора, второй зажим которого заземлен. 3 п. ф-лы, 1 ил.

Использование: в области электроизмерительной техники, сущность изобретения: на вход емкостного датчика, в электрическом поле которого помещено исследуемое вещество или материал, подают поочередно опорное и испытательное напряжения, в качестве опорного используется низкочастотное переменное напряжение фиксированной частоты, а в качестве испытательного - высокочастотное напряжение регулируемой частоты. Формируют первый и второй сигналы, величину первого сигнала получают в виде произведения веел С

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости веществ и материалов в широком частотном диапазоне.

Целью изобретения является повышение точности определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости веществ или материалов путем исключения влияния на ее действительное значение активной проводимости и диэлектрических потерь.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Переменное напряжение Ui Umi x х sin ((a-i t + t) фиксированной низкой частоты ом const и переменное напряжение Da Um2 sin (uЈt + pz) регулируемой частоты (О2 var поочередно подают на емкостный датчик, в электрическое поле которого помещают исследуемое вещество или материал. Переменное напряжение фиксированной частоты используют в качестве опорного, а переменное напряжение регулируемой частоты в качестве испытательного,

Опорное и испытательное напряжения подают на емкостной датчик поочередно с фиксированной частотой Q const более

низкой, чем частота опорного напряжения ()i).

В один полупериод поочередной коммутации через емкостной датчик под действи- ем опорного напряжения протекает низкочастотный ток

20

li Umi(1 +yi)VgHtf х xsin (wi t +pi )

Umi (1 +yi) Vgbbbfcos ((o t +Ae(tts)(ui)-e( од) -частотное + (5 /) изменение диэлектрической проницаемости на частоте (ai относительно низкой фикгде gi - активная проводимость датчика, сированной частоты сог, обусловленная сквозной проводимостью 5к -коэффициентпропорциональности, вещества и его диэлектрическими потеря- зависящий от геометрических размеров ем- ми. костного датчика.

bi - реактивная проводимость датчика,Для исключения влияния частоты на ве- пропорциональная диэлектрической прони- личину реактивных проводимостей токи И и цаемости (е) вещества; 10 2 поочередно интегрируют, получая проqi порциональные напряжения 5i arctg -- - угол электрических

потерь исследуемого вещества;Уз -- Umi ( 1 + /1 ) дЗ + b x

71 ,, т1 коэффициент, учитываю- 15х sin (wi t +pi - 5i ) ; (6) Umt

щий непостоянство опорного напряжения.s

В другой полупериод коммутации под1М -- Um2 ( 1 +)) gi+b§ x

действием испытательного напряжения че-, Я2 -А,

рез датчик протекает высокочастотный ток20 Х Sm

f 1 4- 2 S-крутизна (чувствительность) интегри- 12 - Um2 (. ; дз + D2 х рующего преобразования.

х $( (оц . + р2 + - - ОДИН полупериод коммутации низко- 2 частотное напряжение (6) перемножается с .----- опорным напряжением Ui и выделяется по- Um2 (1 +У2 ) g§ + b cos (uЈ t + стоянная составляющая из результирующего сигнала + 0Z-&). (2),

30U5 S2U3Ui 4-SiS2U2,,x где да и b2 - активная и реактивная состав- 2

льющие проводимости датчика на частоте„ / -i , v. 2 bi 1 ,, . ,2 йй; С Х1; 0)1 2 Ь1Ь2и 1х

ALU2 коэффициент учитываю.х ( 1 + yi )2 к е( ), (8)

Ufn235

щий непостоянство испытательного напря- где За - крутизна (чувствительность) множи- жения при изменении частоты йЈ.тельного преобразования.

Частоту ад испытательного напряженияВ другой полупериод коммутации высо- изменяют в заданном частотном диапазоне кочастотное напряжение (7) перемножают с & 2мин- Ри этом частоту опорного 40 испытательным напряжением U2 и выделя- напряжения выбирают в 10-20 раз меньше ют постоянную составляющую из результи- минимальной частоты испытательного на- рующего сигнала пряжения

№„„н%(10-20)а„(3) « Ue.&U,U2-J-S,

X(H-)2JS J S1S2U22X

Реактивная проводимость датчика висит от частоты приложенного напряже- х()(о)1)±АЈ((У2), (9) ния, а также от е вещества на этой частоте.

Поэтому реактивные проводимости датчика 50 Уравнивают постоянные составляющие на низкой и высокой частотах различны и поочередно выделенных напряжений (8) и могут быть представлены в виде(9) путем изменения амплитуды только испытательного напряжения

bi ш К1 e(a)-i)(4)

Ь2 (йЛ)±АЈ(Ш2)(5) U21 (() (10)

где е ( сел) - диэлектрическая проницае- Где К - коэффициент ослабления испыта- мость вещества на низкой частоте шт,тельного напряжения.

При достижении равенства постоянных составляющих Us Ue имеем

К21Дч(1 + yi)2e(ui)

uSi2( + У2)(ад)±Ае(й) (11)

откуда коэффициент ослабления испытательного напряжения

UmaQ +) уе(о)1)±Де(в)О

Urrn(1+yi)e(u)i)

Далее измеряют отношение амплитуд опорного и испытательного напряжений на входе емкостного датчика. Для этого сравнивают амплитуды опорного и испытательного напряжений непосредственно на входе емкостного датчика и уравнивают их дополнительным изменением амплитуды опорного напряжения. При уравнивании сравниваемых напряжений с помощью дополнительного делителя опорного напряжения имеем

Umi(1 +yi) Um2(1 +yz)

Кг

К

где Ко -коэффициент деления низкочастотного делителя.

Из равенства (13) следует, что отношение амплитуд опорного и испытательного напряжений можно измерить по коэффициенту деления делителя напряжения, работающего на низкой фиксированной частоте

KUml(1 +У1) к Um2(1+y2)

Затем определяют разность между измеренным отношением напряжений и его единичным значением

к.1-к,(Л+уУ-1- №

Um2(1 +72)

Подставляя в выражение (15) значение установленного коэффициента ослабления (12) высокочастотного напряжения, получаем

KO -1 - ) -1.

Ј ( 0)1 )

Так как частотные изменения диэлектрической проницаемости для многих веществ и материалов относительно невелики (Ле((У2)Ј( ) в диапазоне частот до 5-10 МГц, то можно считать

V + Де(ой) 1 1 АЈ(О) Јpi) 2 e(Bi)

(17)

Тогда определенная разность (16) принимает значение

Ј ( )

(18)

15

Вначале частоту испытательного напряжения устанавливают минимальной и определяют соответствующую ей разность напряжений

+ 1 АЈ(О)МИН) 2

e(ft)i)

(19)

25

Затем частоту испытательного напряжения устанавливают максимальной и определяют

35

11

30

АЈ(й)макс)

е(йл)

(20)

По значениям разности (19) и (20) судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости в диапазоне частот - Шмакс. Определяя значения разности (18) на промежуточных значениях частоты ад испытательного сигнала

к -1 ч- 1 ДеО)

КОI - ч / Г

2 Јpl)

(21)

40

45

50

55

расчетным путем может быть определена частотная характеристика диэлектрической проницаемости исследуемого вещества или материала.

При этом результаты определения разности коэффициентов деления, по которым строится частотная характеристика (), не зависят от уровня и непостоянства опорного и испытательного напряжений (yi и уа) в диапазоне частот, крутизны Si интегрирующего и S2.множительного преобразований, диэлектрических потерь (5i и 62) и сквозной проводимости (bi и Ь2) на низкой и высокой частотах, а также значений коэффициентов ослабления высокочастотного напряжения (К).

Устройство, реализующее способ, содержит низкочастотный генератор 1 опорного напряжения фиксированной частоты, высокочастотный генератор 2 испытательного напряжения регулируемой частоты, аттенюатор 3, автоматические переключатели 4 и 5, емкостный датчик 6, конденсатор 7, блок 8 умножения, делитель 9 напряжения, амплитудный детектор 10, фильтры 11 и 12 нижних частот, усилители 13 и 14 частоты коммутации, синхронные детекторы 15 и 16, индикаторы 17 и 18, делитель 19 частоты и частотомер 20.

Емкостный датчик 6 с исследуемым ве- ществом или материалом входом (высокопо- тенциальным электродом) соединен с выходом первого автоматического переключателя 5 и одним из входов блока 8 умножения, второй вход которого соединен с выходом (низкопотенциальным электродом) рмкостного датчика 6 и конденсатором 7 с заземленным вторым электродом. Выход блока 8 умножения через первый фильтр 11 нижних частот соединен с первыми после- довательно соединенными усилителем 13 частоты коммутации, синхронным детектором 15 и индикатором 17. Один вход первого автоматического переключателя 4 соединен с выходом низкочастотного гене- ратора 1, другой вход через аттенюатор 3 - О выходом высокочастотного генератора 2. Один выход второго автоматического переключателя 5 соединен с входом амплитудного детектора 10 непосредственно, а другой рыход - через делитель 9 напряжения. Выход амплитудного детектора 10 через второй фильтр 12 нижних частот соединен с Вторыми последовательно соединенными усилителем 14 частоты коммутации, синх- ронным детектором 16 и индикатором 18. Управляющие входы автоматических переключателей 4 и 5, синхронных детекторов 15 и 16 подключены к выходу делителя 19 частоты, входом соединенного с выходом низ- кочастотного генератора 1. Частота генератора 2 контролируется цифровым вольтметром 20.

Устройство работает следующим образом.

Опорное напряжение фиксированной частоты от низкочастотного генератора 1 и испытательное напряжение регулируемой эстеты от высокочастотного генератора 2 через автоматический переключатель 4 по- рчередно воздействуют на вход емкостного датчика 6. Одновременно пакеты этих напряжений поочередно поступают на один из Входов блока 8 умножения. Токи, протекающие через емкостный датчик 6, поступают в конденсатор 7, емкость которого выбирается в 100-1000 раз больше емкости датчика б с исследуемым веществом или материалом. При таком соотношении емкостей датчика 6 и конденсатора 7 последний

выполняет роль интегрирующего преобразователя тока в напряжение, задаваемое реактивным сопротивлением датчика 6.

Пакеты падений напряжения на конденсаторе 7, пропорциональные токам датчика 6, поступают на второй вход блока 8 умножения. В результате перемножения пакетов напряжений, пропорциональных напряжению и току емкостного датчика 6, формируются пакеты первого и второго сигналов, постоянные составляющие которых определяются значениями диэлектрической проницаемости исследуемого вещества или материала на частотах опорного и испытательного напряжений соответственно. Постоянные составляющие сигналов выделяются фильтром 11 нижних частот. При неравенстве сравниваемых пакетов напряжений на выходе фильтра 11 нижних частот присутствует переменная составляющая частоты коммутации переключателя 4, который управляется выходным напряжением делителя 19 частоты.

Переменное напряжение усиливается усилителем 13 частоты коммутации и выпрямляется синхронным детектором 15, который управляется также выходным напряжением делителя 19 частоты. Выпрямленное напряжение фиксируется первым индикатором 17.

Изменяют амплитуду испытательного напряжения аттенюатором 3 до достижения нулевого показания индикатора 17, что соответствует достижению условия (12).

Входное напряжение емкостного датчика 6, состоящее из пакетов опорного и испытательного напряжений, поступает на второй автоматический переключатель 5, работающий синхронно с первым автоматическим переключателем 4. Автоматические переключатели 4 и 5 сфазированы так, что пакеты высокочастотного напряжения поступают на амплитудный детектор 10 непос- редственно. Пакеты низкочастотного опорного напряжения масштабируются делителем 9 напряжения, а затем поступают на вход амплитудного детектора 10. Из выпрямленных нижних частот выделяются пакеты постоянных составляющих, при неравенстве которых появляется переменная составляющая частоты коммутации. Переменное напряжение усиливается усилителем 14 частоты коммутации и выпрямляется синхронным детектором 16. Выпрямленное напряжение фиксируется индикатором 18.

Изменением коэффициента деления делителя 9 напряжения добиваются нулевого показания индикатора 18, что соответствует условию (14). Относительное частотное изменение диэлектрической проницаемости исследуемого материала определяют по формуле (21).

Делитель 9 напряжения выполнен из переменного резистора RI (или магазина сопротивлений) и постоянного резистора R2, соединенных последовательно. Коэффициент деления определяется соотношением значений сопротивлений этих резисторов. Если за вход делителя 9 выбрать высокопотенциальный зажим резистора RI, а за выход делителя 9-электрическое сопротивление переменного и постоянного резисторов (второй зажим постоянного резистора при этом заземлен), то коэффициент деления

К0

Ri +R2 R2

(22)

Подставляя значение коэффициента деления (22) в расчетную формулу (21), получаем

-

А R2

АЈ(ад ) е()

(23)

где R 1 - значение сопротивления переменного резистора на частоте ад.

Если выбрать R 10П Ом, где п - целое число, то по величине переменного сопротивления R 1 можно определить относительные частотные изменения диэлектрической проницаемости непосредственно в процентах. Так как делитель 9 напряжения работает только на фиксированной низкой частоте, то относительные изменения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот испытательного напряжения измеряются с высокой точностью калиброванными на низкой частоте резисторами Ri и R2.

С помощью предлагаемых способа и устройства исследована частотная зависимость диэлектрической проницаемости сливочного масла в диапазоне частот 1 кГц - 10 МГц. Относительные изменения Е оказались в пределах 27,5%, измеренные с абсолютной погрешностью не более 0,5%. Минимальное относительное изменение частотной зависимости Ј (порог чувствительности) зарегистрирован на уровне 0,05% на частоте 1 кГц.

Формула изобретения

установления равенства сравниваемых сигналов, от личающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве опорного напряжения используют низкочастотное напряжение фиксированной час0 тоты, в качестве испытательного - регулируемое по амплитуде и частоте высокочастотное напряжение, величину первого сигнала получают в виде произведения величины подаваемого опорного напряжения

5 на напряжение, получаемое интегрированием низкочастотного тока, протекающего через датчик, величину второго сигнала получают в виде произведения величины подаваемого испытательного напряжения

0 на напряжение, получаемое интегрированием высокочастотного тока, протекающего через датчик, достижение равенства постоянных составляющих первого и второго сигналов осуществляют изменением

5 амплитуды подаваемого испытательного напряжения, сравнивают величины опорного и испытательного напряжений на входе датчика, измеряют отношение этих величин до- полнительным изменением амплитуды

0 опЬрного напряжения и определяют разность между измеренным отношением и его единичным значением, по которой судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости при изменении частоты ис5 питательного напряжения в заданном диапазоне частот.

0 генератор фиксированной частоты, высокочастотный генератор регулируемой амплитуды и частоты, два автоматических переключателя, блок умножения, амплитудный детектор и последовательно соединен5 ные усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены делитель частоты, частотомер, аттенюатор, делитель напряже0 ния, два фильтра нижних частот, вторые последовательно соединенные усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и индикатор, последовательно соединенные конденсатор и емкостный датчик, вхо5 дом соединенный с выходом первого автоматического переключателя, входом второго автоматического переключателя и одним из входов блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика и конденсатором, соединенным вторым

электродом с общей шиной, а выход через первый фильтр нижних частот соединен с входом первого усилителя частоты коммутации, один вход первого автоматического переключателя соединен с выходом низко- частотного генератора и входом частотомера, один выход второго автоматического переключателя соединен с входом амплитудного детектора непосредственно,другой выход - через делитель напряжения, выход амплитудного детектора через второй фильтр нижних частот соединен с входом второго усилителя частоты коммутации, а управляющие входы автоматических переключателей и синхронных детекторов под-

ключены к выходу делителя частоты, входом соединенного с выходом низкочастотного генератора.

3. Устройство по п. 2, отличающее- с я тем, что делитель напряжения выполнен из последовательно соединенных переменного резистора или магазина резисторов и постоянного резистора, сопротивление которого кратно десяти, входом делителя является высокопотенциальный зажим переменного резистора или магазина резисторов, а выходом делителя - общие выводы переменного резистора или магазина резисторов и постоянного резистора, второй зажим которого соединен с общей шиной.