Устройство для измерения изменений диэлектрической проницаемости Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться при изме рении рефракции атмосферы, при изучении кинетических процессов в диэле риках и измерениях диэлектрических свойств веществ в зависимости от параметров состояния. Известно устройство для измерения изменении диэлектрической проницаемости ДП ) содержащее последовательно соединенные модулятор, сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор и измерительный резонатор, направленный ответвитель, одно плечо которого сое динено с опорным резонатором, соединенным с первым детектором, второй детектор tl . Однако такое устройство имеет невысокую точность измерения. Цель изобретения - повышение точности измерений.. Для этого в устройство для измерения изменений диэлектрической проницаемости, содержащее последователь но соединенные модулятор, сверхвысокочастотный генератор и измерительнь1й резонатор, направленный, ответвитель, одно плечо которого соединено с опорным резонатором, соединенным с первым детектором, второй детектор введены измеритель эффективного напряжения, дифференциальный усилитель и пиковый вольтметр, при этом к выходу измерительного резонатора подключен направленный ответвитель, другое плечо которого соединено с последовательно соединенными вторым детектором, измерителем эффективного напряжения и пиковым вольтметром, причем выход первого детектора и другой выход второго детектора подключены ко входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с другим входом пикового вольтметра. На фиг. 1 дана структурная электрическая схема предложенного устройства; на фиг. 2 и 3 - эпюры напряжений. . Устройство содержит модулятор 1, СВЧ генератор 2, измерительный резонатор 3, направленный ответвитель .4, опорный резонатор 5, детекторы 6 и 7, измеритель 8 эффективного напряжения, дифференциальный усилитель 9 и пиковый вольтметр 10. Устройство работает следующим образом. . В режиме измерения изменений (ДП) от СВЧ генератора 2, модулированного ПО синусоидальному закону, СВЧ мощность подается на измерительный резо натор 3, на выходе которого (при условии совпадения их частот) вьщедяется резонансный импульс измерительно го резонатора 3. Ов , . п где Qi|« добротность измерительного резонатора 3, . - расстройка частоты по от ношению к резонансной час .тоте. Мсяцность с измерительного резонатора 3,. пройдя через направленный .ответвитель 4, поступает на опорный резонатор 5 и при условии перекрыти резонансных частот на выходе опорно го резонатора 5 и соответственно на детекторе 6 выделяется СВЧ мощность пропорциональная напряжению о. гдеРор - добротность опорного резонатора 5, - л5оп относительная расстройка частоты опорного резонатора 5 по отношению к резонансной частоте. Одновременно часть мощности посл измерительного резонатора 3 поступа ет через направленный ответвитель 4 на детектор 7. Оба напряжения детек торов б и 7 подаются на дифференциа ный усилитель 9, на выходе которого формируется результирующийимпульс, равный разности резонансных импульсов измерительного и опорного резонаторов 3 и 5. При точном равенстве частот опорного и измерительного резонаторов 5 и 3(,д)и при вы полнений равенства амплитудных напряжений на детекторах 6 и 7(Ц5„-и,„ выходе дифференциального усилителя амплитудное напряжение равно нулю. При Отклонении от равенства частот опорного и измерительного резонаторов 5 и 3(, проходящая через опорный резонатор 5, умен шается, напряжение на первом входе дифференциального усилителя 9 также уменьшается, а его выходное напряже ние возрастает с. увеличением частот ной расстройки между опорным и измерительным резонаторами 5 и 3. В соответствии с формулой (Mf иэк on &,( fT 1 -OSn()l можно установить закон изменения вы ходного напряжения дифференциального усилителя 9 в зависимости от относительной расстройки частот опорного и измерительного резонаторов 5 .и 3(uf|f). Это напряжение подается на пиковый вольтметр 10, который регистрирует результирующее амплитудное напряжение дифференциального усилителя 9. В данном устройстве за счет последовательного включения измерительного и опорного резонаторов 3 и 5 реализовано непосредственное преобразование изменения частоты измерительного резонатора 3 в напряжении постоянного тока на резонансной кривой опорного резонатора 5. На фиГ;. 2 даны эпюры напряжений при различных соотношениях частот опорного и измерительных резонаторов °5 и 3, которые поясняют формирование выходного сигнала измерителя ,ДП. В режиме измерения мнимой составляющей ДП ( T.e.gzf p-(f) резонансный и.мпульс измерительного резонатора 3, выделяемый на дете.к торе 7, подается на измеритель 8 эффективного напряжения, шкала которого может быть проградуирована в единицах С или tptf). Такая возможность следует из,того, что проходящая через опорный резонатор 5 мощность зависит от добротности и, следовательно, от тангенса угла tod потерь вещества, находящегося в измерительном резонаторе 3. Однозначность отсчета показании б (т.е. установка нуля прибора) достигается тем, что напряжение на управляющем по частоте элементе СВЧ генератора 2 выбирается таким образом, чтобы напряжение измерителя 8((9ф)) ) было минимальным. Этим самым выбирается наибольшая крутизна перестройки частоты СВЧ генератора 2 и наименьшая площадь перекрытия резонансной кривой измерительного резонатора 3. На фиг.З показаны эпюры напряжений на выходе детектора 7 при двух значениях крутизны модулирующего напряжения в точке равенства частот СВЧ генератора 2 и измерительного резонатора 3. Для зависимости показаний измерения ДП от изменения добротности из- мерительного резонатора 3 выходное напряжение измерителя 8 эффективного напряжения подается на управляющий элемент пиковогр вольтметра 10. В предложенном устройстве возможность применения модулятора 1 синусоидального, напряжения позволяет упростить схему выделения резонансных импульсов резонаторов, например используя питающую сеть. В устрюйстве реализо.вано непосредственное преобразование частоты в напряжение на измерительном резонаторе 3 когда полезная информация ( и f, ) отображается выХОДН&1М сигналом (без введения специальных блоков преобразования частоты), за счет чего схема предельно упрощена и включает только блоки, необходимые для работы регистрирующих приборов ) пиКовый вольтметр 10

и измеритель 8 эффективного напряжения. В.устройстве легко достигается изменение постоянной времени цепи пикового вольтметра 10 и тем самым эффективно регулируется дтабильность устройства при заданном усреднении регистрируемой величины. Ус тройство имеет диапазон ДП, за пределами которого выходной сигнал принимает максимальное и постоянное значение/ что делает такое устройство предельно надежным в пороговых режимах (при контроле за заданным уровнем некоторой физической величины;. Одновременно и непрерывно может осуществляться запись изменений ДП по действительной и мнимой составляющей ДП. Конструкция предложенного .устройства позволяет уменьшить вес до минимума, что особенно важно при построении радиорефрактометров и переносных измерителей ДП.

Формула изобретения

Устройство для измерения изменений диэлектрической проницаемостиf содержащее последовательно соединён873156

ные модулятор, сверхвысокочастотный генератор и измерительный резонатор, направленный ответвитель, одно плечо которого соединено с опорным резонатором, соединенным с первым детектором, второй детектор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены измеритель эффективного напряжения, дифференциальный усилитель и пиковый вольтметр, при зтом к вы0ходу измерительного резонатора подключен направленный ответвитель, другое плечо которого соединено с . последовательно соединенными вторым детектором, измерителем эффективного

5 напряжения и пиковьм вольтметром, причем выход первого детектора и другой выход второго детектора подключены ко входам дифференциального усилителя, выход которого соединен с другим входе пикового вольтмет0ра.

I

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

5 322708, кл. G01 N 23/24, 1970 (прототип).