Автогенераторный многопараметрический измеритель Советский патент 1982 года по МПК G01N27/00 G01R27/26 

I

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля изделий и материалов, в частности композиционных материалов на основе полимеров; и может быть использовано как при исследовании их физико-химических свойств, так и в технологических процессах для контроля и управления динамикой изменения свойств объекта по комплексу замеренных физических характеристик.

Известны устройства контроля изделий, материалов и веществ, основанные либо на измерении приращения диэлектрической проницаемости, либо на измерении фазового сдвига, пропорционального тангенсу угла диэлектрических потерь, и содержащие многоканальные задающий и приемно-преобразовательный тракты, и опорный и испытательный каналы, обеспечивающие выделение двух, сдвинутых на постоянную величину, качающихся частот 11 и

Недостатком этих устройств является низкая точность из-за существенных погрещностей, связанных с временной нестабильностью и идентичностью трактов преобразования

измерительной информации и со сложностью учета влияния неидентичности фазо-частотных характеристик опорного и испытательного каналов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, основанное на измерении параметров, связанных с физическими свойствами среды, в полосе частот и содержащее автогенераторы с измерительнь1ми ячейками, усилители, детекторы, микропроцессор, автоматический коммутатор, регистрирующее устройство и блок управления 31.

Недостатком известного устройства является низкая точность из-за существенных погреншостей, обусловленных влиянием вреtsменной нестабильности параметров каналов измерения, в которых используются независимые друг от друга автогенераторы и звенья преобразования измерительной информации.,

Цель юобретекия - повышение точности измерения диэлектрических параметров, связанных с физическими свойствами объекта, в полосе частот. 39 Поставленная цель достигается тем, что автогенераторный многопараметрический изме ритель, содержащий первый и второй автогенераторы, к выходам которых последовательно включены смеситель, усилитель реэонансный частоты, фазовращатель, автоматический коммутатор, емкостная измерительная ячейка с объектом измерения, а также фазовый детектор, регистрирующее устройство, установочный фазовращатель, выход которого подключен к опорному входу фазового детектора, микропроцессор, включенный между выходом фазового детектора и входом регистрирующего устройства, и блок управления, выход которого соединен с управляющими входами автоматического комму татора и микропроцессора, дополнительно снабжен умножителем частоты на п, (п-1) избирательными усилителями, (п-1) фазовращателями, п-входовым cjTMMaTOpoM и од- нополюсным модулятором, причем выход по следнего соединен с модулир)тощим входом второго автогенератора, а вход - с выходом сумматора, п входов которого подключены к в ыходам фазовращателей, входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, чьи входы подсоединены к выходу смесителя, при этом вход умножителя частоты на п подключен к выходу усилителя резонансной частоты, его выход соединен с входом установочного фазовращателя, а сигнальный вход фазового детектора соединен с выходом (п-})-го фазовращателя. На чертеже изображена блок-схема предлягаемого п-канального измерителя. Измеритель содержит два автогенератора 1 и 2 (источники гармонического напряжения частот cjj и со2 соответственно), однополюсный модулятор 3, смеситель 4, усилитель 5i резонансной частоты Л coj - О) 2, избирательные усилители Sj-Зр, настроенные на соответствующие гармоники частоты S1 , умножитель 6 частоты на п (п - чи ло каналов измерителя), установочный фазо вращатель 7, фазовращатели 8i-8n, фазовый детектор 9, сумматор 10, микропроцессор 1 автоматический коммутатор 12, емкостную измерительную ячейку 13 с объектом измерения, регистрирующее устройство 14 и блок 15 управления. Измеритель работает следующим образом. Тестовые разночастотные сигналы формируются путем смещивания частот ш т/i двух напряжений первого и второго автогенёраторов 1 и 2. В результате первого смешивания на выходе смесителя 4 образуется спектр частот, содержащий частоту Я icoj cjj. При этом текущее значение фазы сигнала на выходе усилителя 5| имеет вид ftt4fi.-f,,)+fa, где ф и vf, - начальные фазы напряжений частоты и сол соответственно;Ф - фазовьш сдвиг, вносимый каналом, содержащим усилитель 5). Выделенный усилителем Sj сигнал частоты SL через фазовращатель 81, сумматор , 10 и одно11олосный модулятор 3 подается на модулирующий вход второго автогенератора 2. В результате однополосной модуляции в спектре выходного напряжения второго автогенератора помимо несущей частоты 2 появляется нижняя боковая, смещенная на частоту Л . Легко показать, что второе смещивание частоты со первого автогенератора 1 с промодулированной частотой второго автогенератора 2, в спектре которого содержатся частоты Wj и со2 - Si., дает составляющую с частотой 2 St , которая выделяется избирательным усилителем S. Текущее значение фазы напряжения частоты 2 Si. можно записать как aati-iCv AM i Pza где LQ - фазовый сдвиг, вносимый каналом, содержащим избирательный усилитель 52. Общее выражение для текущего значения фазы напряжения на выходе k -го канала, содержащего избирательный усилитель , имеет вид Ka.(R,-%), (Y) где (o фазовый сдвиг, вносимый каналом избирательного усилителя 5к; k 1, ..., п. Из выражения (1) видно, что фаза напряжения на выходе п-го канала аддитивно зависит от зна1}ения фаз всех предьздущих каналов измерителя. Следовательно, поочередно подключая с помощью автоматического коммзггатора 12 емкостную измерительную ячейку 13 с объектом измерения к разношстотным каналам, можно определить фазочастотную характеристику объекта измерения. В качестве опорного напряжения фазового детектора 9 используется сигнал, полученный в результате умножения на п разностной частоты SI первого канала с начальным фазовымсдвигом VI()+и fg. На сигнальный вход, как было показано выще, поступает напряжение той же частоты, но с фазовым сдвигом, равным КЧч- 2. . В результате поочередного подключения е костной измерительной ячейки 3 к выходам фазовращателей 8j, ..., 8п, входящих в соответствующие разночастотные каналы, в запоминающем устройстве микропроцессора 11 фиксируются соответствующие значения фазовых сдвигов f / на разных частотах от 51 до И . Назначение фазовращателей 8, ... 8п состоит в исключении погрещности измерения возника1бщей в результате влияния неидентнчности выходного импеданса каналов изм рения, что дает различные фазовые сдвиги при подключении емкостной измерительной ячейки 13. Эта погрещность исключается путем предварительной установки фазорращателей 8t, ... 8п в соответствующие положения, определяемые режимом калибровки (в отсутствии объекта). Режим калибровки аналогичен режиму измерения. Установочный фазовращатель 7 позволяет изменять начальную фазу опорного напряжения, что обеспечивает максимальную чувствительность фазового детектора 9. Так, напр мер, при измерении малых фазовых сдвигов Й1 ft. вносимых объектом, целесообразно иметь синусоидальную характеристику фазово го детектора, имеющую максимальную крути ну вблизи нуля. При внесении объекта измерения в зону чувствительности емкостной измерительной ячейки 13 в п-й такт коммугаили, п-й канал измерения получает приращение фазы дЦ) fit общий фазовый сдвиг на сигнальном входе (Ьазового детектора 9 равен .%a. , учитывая, что условие режима калибровки соответству ет известному значению фазового сдвига .fo где % суммарный фазовый сдвиг в отсутствии объекта измерения. Вновь измеренный фазовый сдвиг равен Таким образом, разность фазовых сдвигов в режиме измерения и в режиме калибровки соответствует искомому значению фазы Применяя многочастотное зондирование ис следуемого объекта, получаем систему уравнений, связывающих, например, фазовые сдв ги, вносимые композиционным материалом (на основе полимеров), с концентрациями входящих в него компонент Vf -FiCtijW), где j - число входящих в объект измерен компонент; (2) f - фазовый сдвиг, вносимый объектом на i-ой частоте; F функция, связывающая -коитролнруемые параметры объекта с его замеренными физическими характеристиками на j-ой частоте зондирующего сигнала; f; - - дизлектрическая проницаемость j-ой компоненты на 1-ой частоте; - концентрация i-ой компоненты; j 1.2п. Таким образом, определив фазовые сдвиги, вносимые объектом измерения на разных частотах и зная значения диэлектрической проницаемости каждой компоненты в отдельности на любой из, заданных частот, можно, рещив с помощью микропроцессора 11 систему уравнения (2), найти концентрацию каждой компоненты X материала. Работа микропроцессора синхронизируется с рабочими тактами автоматического коммутатора 12 через блок 15 управления. Информация о концентрации каждой из компонент Xj объекта измерения фиксируется регистрирующим устройство 14. I Изобретение позволяет в автогенераторном многопараметрическом измерителе, имеющем несколько зондирующих частот, использовать фазовый детектор, работающий на фиксированной частоте, что дает возможность существенно повысить точность измерения за счет исключения влияния фазо-частотной характеристики фазового детектора. Формула изобретения Автогенераторный многопараметрический измеритель, содержащий первый и второй автогенераторы, к выходам которых последовательно подключены смеситель, усилитель резонансной частоты, фазовращатель, автоматический коммутатор, емкостная Измерительная ячейка с объектом измерения, а также фазовый детектор, регистрирующее устройство, установочный фазовращатель, выход которого подключен к опорному входу фазового детектора, микропроцессор, включенный между выходом фазо1вого детектора и входом регистрирующего устройства, и блок управления, выход которого соединен с управляющими входами автоматического коммутатора и микропроцессора, отличающийся тем, что, с целью повыщения точности измерения диэлектрических параметров, связа1шых с физическими свойствами объекта, он дополнительно снабжен умножителем частоты на 7,91 n, (n - I) избирательными усилителями, (n-1) фазовращателями, h-входовым сумматором и ОДНОЛОЛОСИЫМ модулятором, ВЫХОД| которого соединеи с модулирующим n входов второго автогеиератора, а вход - с выходом сумматора, n входом которого подключены к выходам фаэовра1Дателей, входы которых соединены с выходами избирательных усилителей, входы которых подсоединены к выходу смесителя, при этом вход умножителя частоты на n подключен к выходу усилителя резонансной частоты, его выход соединён с входом устаиовочного фазовращателя, а сигнальный вход фазового детектора соедииеи с выходом (п-1)-го фазовращателя. Источники информации, принятые во внимание при эксперЬсзе 1.Авторское свидетельство СССР N 167672, кл. G 01 N 27/22, 1965. 2.Заявка Франции N 2397635, кл. G 01 N 27/22, 1979. 3.Авторское свидетельство СССР № 404034, кл. G 01 N-27/72, 1971 (прототип).