Измеритель диэлектрической проницаемости Советский патент 1974 года по МПК G01R27/26 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Известен измеритель диэлектрической проницаемости, содержащий измерительный конденсатор в виде двух основных электродов, постоянно подключенных к входу измерительного генератора и по меньшей мере одного дополнительного электрода при помощи первого переключателя попеременно соединяемого с одним из основных электродов, смеситель, на входы которого поданы сигналы от измерительного и опорного генератора, а на выходе подключен цифровой частотомер с отдельно выведенным блоком сброса показателей, подсоединенным к цифровому частотомеру через второй переключатель.

Однако на результат измерений при помощи известного устройства оказывают влияние изменения внешних факторов, например температуры и влажности окружающей среды. Появление обусловленных этими влияниями погрешностей объясняется тем, что измерительный конденсатор в обоих соединениях электродов имеет различные геометрические параметры, например различные конструктивные узлы крепления электродов.

Влияние различных внешних факторов, в первую очередь температуры и влажности окружающей среды или загрязнения рабочих

зазоров в процессе измерения, вызывает неодинаковые изменения паразитных емкостей и индуктивностей конденсатора, вследствие чего изменяется разность емкостей их, т. е. выходной сигнал датчика, по которому судят об измеряемом параметре. Таким образом, устройство прототипа не пригодно для любых конструкций измерительных конденсаторов или требует применения специальных мер по

устранению упомя-нутой погрешности, например путем частой калибровки прибора, что очень затрудняет проектирование и эксплуатацию измерительного устройства. Целью изобретения является увеличение

точности измерения путем устранения температурного дрейфа измерительного конденсатора.

Для этого измеритель снабжен вторым опорным генератором и третьим переключателем,

через контакты которого выходы обоих опорных генераторов соединены с вторым входом смесителя, причем частота первого опорного генератора ниже, а частота второго опорного генератора выше частоты измерительного генератора во всем диапазоне измерения, и четырехтактным программным устройством, выходы которого соединены с первым и третьим переключателями соответственно. На чертеже приведена блок-схема измерителя.

Измеритель диэлектрической проницаемости содержит измерительный конденсатор в виде основных электродов 1, 2 и дополнительного электрода 3. Основные электроды 1, 2 постоянно подключены к входу измерительного генератора 4. Дополнительный электрод 3 при помощи переключателя 5 соединен через контакт 6 с основным электродом 1, а через контакт 7 - с основным электродом 2. Выход измерительного генератора 4 подключен к одному входу смесителя 8. К другому входу его подключены опорные генераторы 9 и 10 при помощи переключателя 11, через контакт 12 - опорный генератор 9, а через контакт 13 - опорный генератор 10, причем частота опорного генератора 9 ниже, а частота опорного генератора 10 выше частоты измерительного генератора 4 во всем диапазоне измерения диэлектрической проницаемости. Выход смесителя 8 подключен к входу цифрового частотомера 14 с отдельно выведенным блоком сброса показаний 15, подсоединенного к последнему при помощи переключателя 16 через контакт 17. При ПОМОЩИ контакта 18 блок сброса показаний 15 отключен от цифрового частотомера 14. Выходы программного устройства 19 соединены со всеми переключателями 5, 11, 16.

Устройство работает следующим образом.

Весь процесс измерения состоит из четырех шагов, первые два из которых проводятся непосредственно перед, а последние два - после прикладывания измерительного конденсатора к контролируемому объекту.

Первый шаг. Программное устройство замыкает контакт 6 переключателя 5, контакт

12переключателя И и контакт 17 переключателя 16. Следовательно, после запуска цифрового частотомера 14 сперва производится сброс предыдущего показания и после окончания считывания на нем появляется код

4(f,B-/.,),(1)

где ty - время измерения,

/1В - частота измерительного генератора с электродами в первой комбинации (переключатель 5 через контакт 6) в воздухе,

/01 - частота опорного генератора 9.

Второй шаг. Программное устройство замыкает контакт 7 переключателя 5, контакт

13переключателя И и контакт 18 переключателя 16 (все переключатели меняют положение). К предыдущему коду прибавляется код

A, 4(fo.-U,(2)

где /2в - частота измерительного генератора с электродами во второй комбинации (переключатель 5 через контакт 7) в воздухе,

/02 - частота опорного генератора 10.

Третий шаг. Программное устройство замыкает контакт 6 переключателя 5, а остальные переключатели остаются в прежнем поло- 65

жении. Измерительный конденсатор приложен к исследуемому объекту. К предыдущему коду прибавляется код

(Го.-/ш),(3)

где /1м - частота измерительного генератора с электродами на исследуемом материале в первой комбинации.

Четвертый ш а г. Программное устройство замыкает контакт 7 переключателя 5 и контакт 12 переключателя 11, а переключатель 16 не изменяет положения. К предыдущему коду прибавляется код

4(/.м-/оО.(4)

где /2м - частота измерительного генератора с электродами, находящимися на исследуемом материале, во второй комбинации. Итак, после выполнения всех шагов на цифровом частотомере результирующий код образуется как сумма четырех кодов

N N,+N, + N, + N, t,l(h,-f,,) +

г 2В г /аи / )

Дрейф частоты измерительного генератора, проявляющийся как постоянное слагаемое, добавляемое ко всем четырем последним членам, стоящим в выражении (5), входит с противоположными знаками и исключается из результата измерения.

Результирующий температурный дрейф измерительного конденсатора можно рассматривать как постоянное слагаемое только в одной комбинации электродов, например в первой. Из (5) следует, что члены /IB и /ш входят в выражение с противоположными знаками. Следовательно, составляющая температурного дрейфа также исключается из результата измерения.

Возможна и другая последовательность процесса измерения, но важно, чтобы программное устройство выполняло следующий алгоритм: частота измерительного генератора с электродами на исследуемом материале в одной комбинации включения и частота измерительного генератора с электродами в воздухе в другой комбинации включения была с одинаковыми знаками, а остальные два значения частот измерительного генератора - с противоположными знаками.

Для того чтобы получить отсчет непосредственно в единицах диэлектрической проницаемости, необходимо соблюдать два условия:

24(fo.-f«:) + 4(f,B-W C--e+10«, (6)

где Е - емкость цифрового частотомера, п - число знаков после запятой в единицах диэлектрической проницаемости, /С 0,2,3,... - любое целое число, и второе условие:

(7)

dfj

дв где -- и - чувствительность дедв тельного генератора к диэлектрической проницаемости 8, соответственно в первой и во второй комбинации включения электродов. Выражение (7) следует из соображений, что (f,H-U(f--f-)(3-l). ОеOS / Подставляя (6) и (7) в выражение (5), получаемЛ /С + 10 + 10 (е - 1) : S 10, так как /(0 (К - кратное переполнение частотомера). Предмет изобретения Измеритель диэлектрической проницаемости, содержащий накладной измерительный конденсатор в виде двух основных электродов, постоянно подключенных к входу измерительного генератора, и по меньшей мере одного измеридополнительного электрода, при помощи первого переключателя попеременно соединяемого с одним из основных электродов, смеситель, один вход которого подключен к выходу измерительного генератора, а выход - к входу цифрового частотомера с отдельно выведенным блоком сброса показаний, подсоединенным к цифровому частотомеру через второй переключатель и опорный генератор, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения путем устранения температурного дрейфа измерительного конденсатора, он снабжен вторым опорным генератором и третьим переключателем, через контакты которого выходы обоих опорных генераторов соединены с вторым входом смесителя, причем частота первого опорного генератора ниже, а частота второго опорного генератора выше частоты измерительного генератора во всем диапазоне измерения, и четырехтактным программным устройством, выходы которого соединены с первым и третьим переключателями соответственно.

I