Устройство для измерения диэлек-ТРичЕСКиХ пАРАМЕТРОВ ВЕщЕСТВ Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 G01N27/22 

Устройство относится к измеритель ной технике и может найти применение в диэлектрометрических конце нтратомерах в приборах для измерения диэлектрических параметров веществ, обладающи большими потерями, в измерителях составляющих комплексного сопротивления и в измерителях малой добротности.

Известно устройство для измерения емкостной составляющей полной проводимости -емкостных ячеек, включенных в пассивный измерительный контур, содержащее генератор высокочастотного напряжения, пассивный измерительный контур, состоящий .из катушки индуктивности, измерительного конденсатора, модулирующего конденсатора, подключенного через модулирующий ключ, управляемый модулятором, емкостной ячейки, детектор и нульорган. При отсутствии равновесия в системе, т.е. когда модули полной проводимости контура при разомкнутом и замкнутом ключе не равны между собой, на контуре образуется амплитудно-модулированное высокочастотное напряжение, огибающая которого выделенная детектором, поступая на

нуль-орган, образует управляющий синал, воздействующий на измерительны конденсатор, компенсирующий изменение емкости первичного преобразоватля 1 .

Недостатком устройства является существенное уменьшение его чувствительности при измерении диэлектрических параметров веществ, обладающих большими потерями, включая потери за счет проводимости.

Известно также устройство для измерения диэлектрических параметров с модуляцией емкости в задающем контуре питающего генератора с емкостной связью питающего генератора с измерительным контуром, состоящее из генератора, модулятора комплексHOI7O сопротивления связи, измерительного контура, включающе го катушку индуктивности, подстроечный конденсатор, измерительный койденсатор или емкостную ячейку и ключ, детектора, нуль-органа, блока измерения проводимости. В задающем контуре генератора имеется группа встречно включенных варикапов, общая точка которой связана с модулятором. На контур подается высокочастотный сигнал частоты j или ъОц. Если коэффицие н ты- передачи и э меритель ного контура на этих частотах не равны, то на контуре образуется амплитудномодулированное высокочастотное напряжение , огибающая которого, выделенная детектором, поступая на нульорган, образует управляющий сигнал, воздействующий на подстроечный конденсатор, если подключена ячейка, ина измерительный конденсатор, если он подключен к контуру, изменяя их емкость до установления равенства модулей коэффициента передачи контура на частотах иэ и иЭ. Это устройство сохраняет высокую чувствительность при измерении диэлектрических материалов с большими потерями 2.

Недостатком такого устройства является зависимости результатов измерения емкости ячейки от активной проводимости исследуемого вещества, что снижает точность измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерения диэлектрической проницаемости .

Поставленная цель достигается тем, ЧТОБ устройство для измерения диэлектрических параметров веществ, содержащее емкостную ячейку и градуированный измерительный конденсатор, связанные через переключатель с измерительным контуром, состоящим из катушки индуктивности и вспомогательного конденсатора переменной емкост генератор, питающий измерительный контур через емкостное сопротивление связи, модулятор, связанный с общей точкой группы встречно включенных в задающий контур генератора варикапов, амплитудный детектор, устройство, управляющее настройкой измерительного контура в резонанс, блок измерения проводимости ячейки, введены вторая группа встречно включенных в задающий контур генератора варикапов и последовательно соединенные первый блок возведения в квадрат, блок вычитания, второй блок возведения в квадрат и блок деления, причем вход первого . блока возведения в квадрат соединен с выходом блока измерения проводимости ячейки, а выход, блока деления соединен с общей точкой введенной группы варикапов.

Введение в задающий контур генератора варикапов обеспечивает изменение частоты генератора. Введение между общей точкой варикапов и выходом блока измерения проводимости ячейки последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат, блока вычитания ивторого блока возведения в квадрат обеспечивает формирование сигнала, управляющего емкостью варикапов по функциональной зависимости.

с изменением проводимости

Uru rr: т :тг:гз (i)

Чм

()

- где и - напряжение управляющего сиг5 нала;

К - коэффициент пропорциональности первого блока возведения в квадрат;

g - проводимость ячейки; ИдИ напряжения источников иммитирующих константы. Изменение емкости варикапов в соответствии с управляющим сигналом (1) обеспечивает такое значение частоты питающего генератора из + 4 из, при котором емкость измерительного контура, сортветствующая его настройке с заполненной исследуемым веществом ячейкой, равна емкости измерительного контура, настроенного с пустой ячейкой на. частоте генератора ьО.Таким образом, функциональное изменение частоты настройки измерительного контура обеспечивает 5 независимость емкости настроенного измерительного контура от проводимости ячейки и, следовательно, независимость результата измерения емкости ячейки от ее проводимости, чем повышается точность определения диэлектрической проницаемости веществ, обладающих большими потерями.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из генератора 1, модулятора 2, емкостного сопротивления 3 связи, подключенного с одной стороны к питающему генератору, а с другой - к измерительному LC-контуру, включающему катушку 4 0 индуктивности, подстроечный конденсатор 5, измерительный конденсатор б или емкостную ячейку 7, ключа 8, детектора 9, нуль-органа 10, блока 11 измерения проводимости ячейки 5 и последовательно соединенных первого блока 12 возведения в квадрат, вход которого соединен с выходом блока 11 измерения проводимости ячейки, блока 13 вычитания, второго л блока 14 возведения в квадрат и блока 15 деления. В задающем контуре генератора 1 имеются две встречно включенных группы варикапов, общая точка 16 одной из которых соединена с модулятором 2, а общая точка 17 другой - с выходом блока 15 деления.

Устройство работает следующим образом.

Пока коэффициент передачи измерительного контура при подключенной в 0 задающем контуре генератора модулирующей емкости 16 не равен коэффициенту передачи при отключенной модулирующей емкости на измерительном контуре образуется амплитудно-моду5 лцрованное высокочастотное напряжеHHCf огибающая которого, выделенная детектором 9, поступая на нуль-орган 10, формирует управляющий сигнал, воздействующий на подстроечный конденсатор 5, если подключенаячейка 7 и на измерительный конденсатор 6, если он подключен к контуру, изменяя их емкость до установления равенства модулей коэффициента передачи измерительного контура. Высокочастотное напряжение с настроенного измеритель ТГого контура через детектор 9 посту пает на вход блока 11 измерения проводимости ячейки, где формирует.ся сигнал Кл, пропорциональный проводимости ячейки д/ . В блоке 12 сигнал К и возводится в квадрат Kj , в блоке 13 сигнал К вычитается из опорного напряжения UQ, в блоке 14 разность и возводится в квад 2 par Up- в - , в блоке 15 сигнсш ис точника опорного напряжения 0 делит ся на сигнал .j Напряжение, соответствующее частному от деления Гц -K. поступает на общую точку 17 варикапов задающего контура генератора, изменяя их емкость в соответствии с выражением UK 7 «-I где Со емкость варикапов при напряжении смещения U О; контактная разность потенциалов, зависящая от материалов р и п областей варикапов ; запиргиощее напряжение смещения, приложенное к общей точке варикапов и соответствующее выражению().

Частота генератора с учетом модулируквдей емкости Cд равна

(3)

Ы

i|4(,jii:tc,

Среднегеометрическаячастота - См .

нёратора при . ..

ETV

С) 55 1|ч(Сн где Lg- индуктивность задающего тура генератора. При настройке измерительного кон- ЛО тура с пустой ячейкой напряжение смещения равно

)l

45

откуда при выборе коэффициента пропорциональности блока 11 в соответствии с соотношением

.К

(13)

J2UC -

оуи 65 а соответствующая ему емкость 17 варикапов lUu г (6) , Частота задающего генератора по (4) равна Емкость настроенного на эту частоту измерительного контура в соответствии с (7) равна Cgo..o.lf При настройке,измерительного контура с ячейкой, заполненной веществом, имеющим большие потери, напряжение смещения равно U g-LUo-K g :/ 9) а соответствующая ему емкость варикапов 17 iuvti o- « (10) частота заданвдего Генератора равна -1 и-ьлсо Ч« Емкость настроенного на эту частоту измерительного контура равна ,,с„ и„-к5 |1 -с,, азность емкостей С -С равна разность Cff-Cg О, т.е. емкость настроенного измерительного контура в предлагаемом устройстве не зависит от его проводимости . Выбор парс1метров схемы при реализации устройства проводится по соотношениям (.7) и (13), при это из соотношения (7) определяется UQ , а из соотношения (13) - коэффициент пропорциональности блока ii при заданном и г параметрах контура и варикапов.

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрических параметров веществ, содержащее емкостную ячейку и градуированный измерительный конденсатор, связанные через переключатель с измерительным контуром, состоящим из катушки индуктивности и вспомогательного конденсатора переменной емкости генератор, питающий измерительный контур через емкостное сопротивление связи, модулятор, связанный с общей точкой группы встречно включенных в задающий контур генератора варикапов амплитудный дегектор,. устройство, управляющее настройкой измерительного контура Б резонанс, блок измерени проводимости ячейки, отличающееся; тем, что, с целью повышения точности измерения диэлектрической проницаемости, в него введены вторая группа втречно включенныхв задающий контур генератора варикапов и последовательно соединенные первый блок возведения в квадрат, блок вычитания, второй блок возведения в квадрат и блок деления, причем вход первого блока возведения в квадрат соединен с выходом блока измерения проводимости ячейки, а выход блока деления соединен с общей точкой введенной второй группы варикапов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Приборы и системы управления 1974, 10. с.. 17-18.

1 2. Кесслер Ю.М. , Подгорный О.В. и др. Высокочастотн1 й автоматический измеритель диэлектрических характеристик Тангенс/ЗМ, - Автоматизация химических производств, НИИ-ТЭХИМ, вып.4, 1976 (прототип).