Устройство для измерения диэлектрической проницаемости проводящих материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N27/22 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к измеритель1НОЙ технике и может быть использовано при разработке прецизионных диэлькоме-ь рсж и диэлькометрических анализаторов состава веществ с изменяющейся в широком диапазоне проводимостью. Известны устройства для измерения диэлектрической проницаемости, основанные на измерении емкости датчика, вклю ченного в пассивный RLC - шухполюсник (резонансный измерительный ЬС-вонтур) при параметрической модуляции. Такие устройства содержат резонансный измерительный ЬС- ончур (с вклк чайным в него емкостным датчиком), питающий высокочастотный генератор, модулирующий элемент, компенсирующий элемент, демодулятор, нуль-орган. Модификации измеритеттьных схем различаются видом высокочастотного напряженна, питакяцего резонансный взмерителгйоый LC-контур (иемодупированное или частотио-модулированное) способом включения модулирухяцето элемента (в измерительном ЬС-контуре или генера торе) и методом включения компенснрдпо щего элемента (в измерительном LCконтуре или генераторе) 1 я 2 . Недостатком таких устройств являетъ. ся то, что условие незаввскмости реэупь тата измерений 6 от проводимости обре SB не выполняется при наличие высших гармонических составлякиоих в пнтаюшем нзмерителыолй ЬС«чсонтур напряжвЕшв, что практически всегда имеет место в реальных схемах вследствие нелинейных искажений. Известно также устройсгво для юмерений диэлектрической проницаемоетя, которое применяется в качестве автоматяческого электронного влагомера, содержащее емкостной датчик, включенный в резонансный взмервтелышй ЬСнкоытур, в который также включен компенсиру1опшй конденсатор переменной емкости, в периодически подключается Кюоулирующвй конденсатор, модулятор (управляющий 393 модулирующим конденсатором, питающий высокочастотный (ВЧ) генератор, демодулятор и 11ул1 ч)рган) ГЗ . Устройство работает следующим образом. Измерительный LC-контур питается от генератора ВЧ-напряжения с фиксированной частотой. Модуляшга осуществл ется периодическим подключением с по- ключа модулирующей емкости к LC -контуру.. Работой ключа управляет модулятор. При отсутствии равновесия в системе на измерительном LC-контуре образуется амплитудно-модулированное ВЧ-напряжение. Низкочастотная огибающая выделяется демодулятором (детектором) и поступает на нуль-орган, на вы ходе которого образуется управляющий сигнал, используемый в статической или астатической системах слежения для воздействия на компенсирующую емкость. Изменением последней схема приводится в состояние равновесия. Диэлектрическая проницаемость - или связанные с ней параметры анализируемого вещества определяются по изменению емкости компенсирующего конденсатора. При подаче на измерительный LC -кон тур t; ВЧ-генератора гармонического напряжения условием настройки контура в резонанс с частотой генератора (равновесия измерительной схемы) является равенство модулей коэффидиента передачи при подключенной и отключенной моду лирующей емкости, т. е. AV(.VrC,.)-AX9,vK), И) где А, и - модули коэффициента передачи для гармонического сигнала ; А - / U« / Е / / и, - напряжение на UC -контур Е - ЭДС генератора; д. - проводимость, шунтирующа ЬС нконтур; Ср - резонансная емкость; C/v - модулирующая емкость. Из анализа уравнения (1) нетрудно псжазать, что значение емкости Ср, соответствующее резонансу, не зависит от шунтирующей ЬС-«онтур проводимости д Таким образом, достоинством известных устройств является теоретическое отсутствие погрешности измерения диэлектрической проницаемости, зависящей от проводимости исследуемого вещества при питании резонансного измерительного LC -«онтура строго гармоническим высокочастотным напряжением. Недостатком известных устройств является появление ощибки в измерении диэлектрической проницаемости, зависящей от проводимости образца, при наличии высщих гармоник в питаклцем напряжении. На фиг. 1 показана зависимость модулей коэффициента переаачи от емкости измерительного LC-контура для первой и второй гармоник. А и А/j соответственно ; на фиг. 2 - блок-ч;хема предлагаемого устройства. При значении емкости измерительного LC -«онтура Ср, соответствующему равенству модулей коэффициента передачи по первой гармонике, модули коэффициента передачи по второй гармонике не равны, т. е. . Очевидно, в этом случае настройка 1,С-«;онтура в резонанс осуществляется до выполнения-следующего равенства А ,(А2-А Х(2УГ где оС - коэффициент, учитывающий относительное содержание второй гармоники и ее фазу. Равенству (2) удовлетворяет значение емкости 1С- онтура Ср + ДС, гдеЛС погрешность настройки в резонанс из-за наличия гармоник. Можно показать, что разность A, практически остается постоянной в щиро- ком диапазоне значений проводимоетей. шунтирующих LC -контур и значений емкости С вблизи Ср. Учитывая последнее обстоятельство, равенство (2) можно записать в следующем виде: (Аа-А а) . dAi -AC covist. Известно, что крутизна склонов резонансной характеристики колебательного контура сильно зависит от шунтирующей контур проводимости 9 Поэтому, как видно из выражения (4), погрешность настройки будет изменяться в широких пределах при изменении проводимости измеряемого образца. Зависимость Л от о- вносит непосредственный вклад в погрешность измерения диэлектрической пронишемости. Все сказанное о влиянии второй гармоники также справедливо и для. более высоких гармоиическюс составляющих. 59 Даже при достаточно малых нелиней ных искажениях (вС5 1%) погрешность измерения при иаменении проводимост исследуемого вещества превышает 6%. Цель изобретения - повьш1ение точ- нести за счет исключения влияния второ гармоники генератора. Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения диэлектрической проницаемости .материалов, состояще из емкостного датчика, включенного в измерительный LC -контур с тремя параллельно соединенными конденсаторами, один из которых подключен к модулятору, генератора, демодулятора, нуль-органа, содержит сумматор, один из входов которого соединен с демодулятором, другой вход сумматора соединен с выходом модулятора, а выход сумматора соединен с нуль-органом. Подача напряжения с модулятора на вхо луль-органа вместе с напряжением с выхода демодулятора, соотношение амплитуд и фаз которых задается в сумматоре, сводит минимуму влияние высших гармоник на точность измерения диэлектрической проницаемое ти. Устройство содержит генератор 1 высокочастотного напряжения, резонансный измерительный контур, образованный катушкой индуктивности 2, компенсирующим конденсатором 3, модулирующей емкостью 4 и емкостным датчиком 5, коммутирующий ключ 6, демодулятор 7, модулятор 8, нуль-орган 9 и сумматор 10. Устройство работает следующим образом. При изменении емкости датчика 5 (например, после заполнения исследуемым веществом) LC -чсонтур расстраивается относительно частоты ВЧ-генератора 1. Высокочастотное напряжение на ЬС -контуре модулируется по амплитуде, вслед- .ствие неравенства коэффициентов передачи измерительной схемы при подкл1оченном и отключенном модулирующем конденсаторе 4. Коммутация конденсатора 4 в LC -контуре осуществляется с помощью ключа 6. Работой ключа 6 управляет модулятор 8. Демодулятором 7 выделяется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-«апряжения на измерительном LC нконтуре. Фаза огибаклцей зависит от знака расстройки контура относительно частоты генератора 1 и может взменятыся на 180 относительно фазы модулирующего напряжения. Сигнал с демодулятора 7 поступает на первый вход сум- 186 матора 10. На второй его вход поступает сигнал с модулятора 8. Этим сигналом в сумматоре 1О компенсируется составляющая сигнала расстройки, обусловленная наличием высших гармоник в питающем ВЧннапряжении. В результате параметры сигнала расстройки на выходе сумматора характеризуют расстройку LC -контура только по первой основной гармонике. Далее сигнал расстройки поступает на вход нуль-органа 9, на второй вход которого поступает опорное напряжение с модулятора 8. На выходе нуль-органа 9 образуется управлякааий сигнал, изменяющий емкость компенсирующего конденсатора 3 так, что измерительная схема приходит в равнсжесие и LC -неонтур оказывается настроенным в резонанс относительно первой гармоники В Ч-генератора независимо от проводимости исследуемого вещества в датчике 5. I По изменению емкости компенсирук щего конденсатора 3 определяпот приращение емкости датчика 5 при внесении в него исследуемого вещества и диэлекррическую проницаемость. Испытания показали надежность действия предлагаемого устройства при измерении диэлектрической проницаемости проводящих веществ с переменным значейием проводимости. При тщательной настройке сумматора может быть достигнута полная компенсация влияния нелинейных искажений питающего высокочастотного сигнала на иэмерениа диэлектрической проницаемости. Формула изобретения Устройство для измерения диэлектрической пронй1 емостн,материале, состоящее из емкостного датчика, включенного в измерительный LC-контур с тремя параллельно соединенными ковденсаторами, один из которых подключен к модулятору, енератора, демодулятора, нуль-органа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности за счет исклк ения влияния второй гармоники генератора, оно содержит сук матор, один из ходов которого соединен с демодулятсхром, другой вход сумматора соединен с ыходом модулятора, а выход сумматора оединен с нуль-органом. Источники информации, принятые во-вниманвепри экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 9 266286, ЕЛ. ОО1 N 27/22, 8.11.68. 2. Авторское № 321738, кл. 27.О5.7О. 7938118В сввдетельство СССР 3, Ав эрское свидетельство СССР д01 N 27/22,№ 529407, кл. Q01 N27/22, 12.07.73 (прототип).

4

frff С,