Устройство для измерения емкости диэлектриков Советский патент 1982 года по МПК G01R27/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ

1

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, и может быть использовано для измерения диэлектрических характеристик различных материал-, лов.

Известно устройство контроля, реаяи- зукяцее способ контроля, основанный на измерении приращений емкости датчика, включенного во времязадающую цепь или в нагрузочный контур автогенератора,Q

и содержащее два автогенератора, емкостные датчики или RC-двухполюсники, подстроечные конденсаторы (варикапы), фильтры и индикатор Г13 Ч

Недостатком известного устройства ,5 является низкая чувствительность, обусловленная отсутствиетл коррекции погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является изме- 20 ритель плотности смесей, содержащий измерительный генератор с измерительным датчиком в резонансном контуре, (июрный генератор, смеситель, полосовой фильтр, усилитель-ограничитель, дифференцируншшй эпеялент, икшульсный ограничитель, импульсный rsHepaTqp, интегратор, схему компенсации температуры с температурным датчиком, а включенный в цепь обрютаой съяая изме ритепьного автогенератора ксяииексатор изменений частоты 2} .

Недостатком известного измерителя является низкая достоверность результатов измерений иэ-за дрейфа частот измерительного и «лторного генераторов под влиянием внешних воздействий. Используемая пассивная компенсация изменений частоты малоэффективна, ко| рекция же частоты путем автоподстройки затруднительна, поскольку дестабилизирующие факторы и полезная информация в равной степени влияют на изменение частоты измерительного генератора.

1Ьль изобретения - повышение достоверности результатов измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для из мерения емкоо 9 ТИ диэлектриков, содержащее измеритель ный генератор, схэединенный входом с первыми вьгаодами кзмерительнотх} и опортого датчиков, выходом с первым входом смесителя, соединенного выходом через полосовой 4аи1ьтр, частотный детек тор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с входом индикатора, опорнный генератор, соединенный выходом с вторым входом смесителя, входом - с выходом интегратора и управл5поишм выводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства, введены конденсатор, коммутатор, первый и второй прерьгоатепи, высокочастотный усилитель, второй синхронный детектор, делитель частоты и генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми входами первого прерьгеателя и делителя частоты, соеданенного выходом с вторым входом первого синхронного детектора, первым входом коммутатора и первым входом второго прерьгеателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом - с выходом второго сийхронного детектора, соединетгного первым входом через высокочастотный усилитель с выходом частотного детектора, вторым входом - с выходом генератора синхросигнале и первым входом п&рвого пре|н татепя, выход которого соединен через конденсатор с входом опорного гехератора, второй вход - с корпусом устройства и вторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствукшшми вьгоодами измераательного и опорюго датШков. На фЕГ.1 представлена блок-cxravia устройства; на 4иг. 2, о| - амппитуддо частотная характеристика частотного детектора, левый склон которой условно выбран рабочим и изображен сплсшшой линией, и эпюр напряжения, снимаемого с выхода частотного детектора; на фиг. 2, Ь - сплошной линией показан характер изменения несушей (разностной частоты инфо жшционного сигнала, а пунктирной - характер измензнЕИя несущей (разностной) час1оты сигнала коррекТ1фукмдего воздействия, на фиг. 2, сГ спектр частот генераторов, причем часто та иамервггельного генератора A|/i скачкообразно периодически смещается но частотной ООН на величину (и, зависящую от информативного параметра, и условно изображенную правее положения л} , или 24 же - на величину Дш, зависящую от дестабилиэирующих факторов (смешение на еличинуДЦ;показано пунктирной линией); а фиг. 2, t , д , е - эпюры напряжений сигналов на выходе высокочастотного силителя, второго пре ьгеателя и интератора соответственно; на фиг, 2, Ticхарактер изменения частоты (V измериельного генератора в различные периоды абот коммутатора, причем пунктирной инией показано смещение этой частоты а счет влияния дестабилизирующих факоров. Индексы, стоящие у осей ординат а всех рисунках фиг. 2, указывают, к акому блоку устройства относится изображенный график. Устройство содержит измерительный 1 и опорный 2 генераторы, измерительный 3 и образцовый 4 датчики, коммутатор 5, варикап 6, баластный конденсатор 7, первый прерыватель 8, смеситель 9, полосовой фильтр 10, частотный детектор 11, усилитель высокой частоты 12, второй синхронный детектор 13, второй прерыватель 14, интегратор 15, генератор 16 синхросигналов, делитетш 17 частоты, амплитудный детектор 18, низкочастотный усилитель 19, первый синхронный детектор 20, индикатор 21. Устройство работает следующим образсж5.Выходные сигналы с измерительного 1 и опорного 2 генераторов поступают на смеситель 9. В результате периодического подключения с помощью первого автоматического пр ывателя 8 баластного конденсатора 7 к времязадаклцей цепи опорного генератора 2, частота последнего принимает значения либо Ш, либо U скачкообразно. При этом частоту манипуляции Vi и задает генератор 16. Частота (Л) измерительного 1 и частоты (. опорного 2 генератора и величина баластного конденсатора 7 выбираются таким образом, чтобы соблюдалось соотношение Ш а. 2, В режиме коррекции частоты генератора 2, контакты второго прерывателя 14 замкнуты, а через контакты коммутатора 5 к резонансному контуру измерительного генератора 1 подключен ображювый Датчик 4. После смешивания частот измерительного 1 к опорного 2 генераторов, из напряжения, поступакицего с выхода смесителя 9, полосовым фильтром 10 выделяется часготно- юдутшрованный сигнал с частотами, равными разности частот автогенераторов в соответствующий период коммутации баластного конденсатора:.-Ш и СЬ, г«;,-иу / где (ju частота измерительного генератора 1; ifz.- частота опорного генератора 2 без баластного конденсато, ра 7Г . частота сяюрного автоганерара с баластным конденсатором 7; „ I ОУр и, - разностные частоты, входящи в полосу частот, выделяемую полосовым фильтром 10 из спектра сигнала смесителя 9 Причем всегда выполняется соотноше ние (SDQ - (U}Q , т.е. на частотной оси (фиг, 2, (У ) положение частоты иУ измерительного автогенератора асимметри но относительно частот . опорно го автогенератора ввиду сложности подбора величины баластного конденсатора. Поэтому существует коэффициент асимметрии К , равный отношению разностных частот (jUn / характеризуюЕщй взаимное расположение частот автогенераторов на частотной оси. Например, если К 1, то Шд и/о и на частотной ос положение частоты CU измерттельного автогенератора 1 будет симметрвнчно относительно частот 2, опорного автогенератора 2. Для устранения паразитной амплитудной модуляции в составе полосового фильтра 1О имеется амплитудного ограничения сигнала (на , 1 не показано). Частотно-модулированный сигнал с выхода полосового фильтра 1О поступает на частотный детектор 11, входным элементом которого является узкополосный усилитель, одна из ветвей резонансной характеристики которого за хватывает частоты Шд и Шо , Тогда, при наличии неравенства S)Q i Of о , напряжение разностной частоты будет скач кообразно перемещаться по склону резонансной характеристики детектора 11 ((}иг, 2, а ) с частотой коммутации И ft. что приведет к появлению амллитудночастотно-модутпфованного напряжения. При этом частота модуляции равна hSl, а глубина модуляции пропорциональна коэффициенту асимметрии К, При К lu;o -zoJo-ct o/ (где о uJa-иУа. - qpeflHee значеоние разностной частоты) и амплитудная модуп51ШШ сигнала исчезнет. В качестве выходного элемента чаототного детектора 11 может быть испопьзс®ан обычный амплитудный детектгор. В этом случае из амшштудно-частотномодулировакного сигнала выделится огибакхоая в вкде напряжения прямоугольной формы частоты KtSI , амхшитуда которого прсшорщйональна разности частот /tfo-Шо/ . Это напряжение поступает на избирательный высокочастотный усилитель 12, настроенный на частоту wfil. В результате этого на вход второго синхронного детектора 13 поступит синусоидальное напряженке частоты ИИ, прсшорциональное разности частот /«JQ- / учетом того, что второй автоматический прерьгоатель 14 замкнут (и находится в статическом положении), на вход аналогового интеграторп 15 (фальтра нижних частот с постоянной t2 вретлени ) поступит синусондальI---atное напряжение в виде выпрямленных полуволн. После усреднения выходного напряж шя детектора 13 в интеграторе 15 постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту асямметргааг К , подается в качестве корректирукмцего воздейстшш на варикап 6. Пражчем емкость варанкапа будет изменяться пропорционально разности частот {WQ-WO / . При соответствукяцем выборе фаэовых соотнсяиеннй между входом и выходом замкнутой цепи, состоящей из блоков 2, 9 - 15, 6 и 7, т.е. между управляющим воэдейстниим по цепи обратной связи, в качестве которого используется выходное напряжение интегратора 15, и входным сигналом, пропорциональным разности частот It частота опорного генератора 2 перестраивается за счет изменения емкости варикапа до тех пор, пока не будет выполнено условие Шд о/о (U/Q . Таким образом, режим коррекции измерителя состоит в выполнении условия К 1 (в сшределенный такт работы коммутатора 5 и второго автоматическогхэ прерывателя 14). Указанный режим подстройки .частоты принципиально отличен от классической системы АПЧ, где подстройка частоты осуществляется относительно заданной опорной частоты. После окончания режима коррекции второй прерг гватель 14 разомкнут, а к резсиансному контуру измерительиого геяератора 1 с помсяцью автоматического коммутатора 5 подключен изм яггеш ный датчик 3. Тогда, вследствие неравенства емкостей иэмеритепьного 3 и образцового 4 датчиков, положение частоты ии измерительного генератора 1 на частотной оси камеяится. В резуттьтате чего нарушится условие коррекщш К 1. Это приведет к рассмотренному выше процессу частотной модулящш разностной частоты с частотой коммутации И О. балластной емкосот конденсатора 7. После прохождения через блоки 1О и 11 на вход амплитудного детектора 18 поступит сигнал в виде напряжения прямоугольной формы с частотой И 51, амплиту да которого пропор1шональна разности частот/ОУр-с о/ , и, следовательно, пропорциональна разности значений емкостей измерительного и образцового датчиков 3 и 4, Однако из-за отсутстви в выходном сигнале амплитудного детектора 18 огибающего сигнала частоты Q (автоматический коммутатор 5 находится в статическом положении), сигнал, пропорциональный разности емкостей измерительного 3 и образцового 4 датчиков, не пройдет через блоки 19 - 21 на выход измерителя. в динамическом режиме работы коммутатор 5 и второй прерыватель 14 управляются от.делителя частоты 17, коэффйэдиент деления которого И соответствует условию 5i-crv а ujb«ntivi|ai, I. В результате поочередного подключения с частотой 51 измерительного 3 и образцового 4 датчиков к резонансному контуру измерительного генератора 1, измеритель периодически с частотой ft переходит из режима коррекшш в режим измерения. При этом в режиме измерения второй прерыватель 14, работающий синхронно с коммутатором 5, разомкнут Поскольку одновременно с низкочасто ной коммутацией ( Я. ) скачкообразно изменяется частота опорного генератора 2; периодически с частотой Vi51 принимая значения и UJ девиация частоты в за период коммутации первого прерьгоате 8 при К .сцтС4;1-и4%)состави 9-((Ja(SJ}-(. где iU;- величина, хара1сгер(изуюшая изменение частоты измерительного генератора 1 за счет введения в резонансны контур измерительного датчика 3 с конт рсввнруёмым объектом. Характер изменения разностной частоты (закон частотной модуляции) во времени (с девиаШ1ей частоты сГ относительно среднего значения разностной на выходе полосового фильтра 10 показан на фиг. 2, б . Проехдар я полученный частотно-модулированный сигнал на линейный участок рабочей (левой) ветви резонансной характеристики (фиг. 2, а реально можно использовать любой из склонов характеристики) входного элемента детектора 11, которое служит преобразователем частота-амшштуда, полушм амплитудно-частотно-МОдутш- рованный сигнал с огибающей частоты fil , пропорциональной девиации частоты О 2.AU). После детектирования полученного сигнала в выходном элементе детектора 11 напряжение U (фиг. 2, 01 ), представляющее собой амплигудно-модулированный сигнал с несушей частотой И 62- и модулирующей частотой ft , поступает на входы параллельно вклкзченных блоков 12 и 18. Так как при выборе чаоьтот коммутации выдержано соотношение . SL «n5t, огибающую сигнала низкой частоты О- , пропорциональную девиации разностной частоты , выделяет амплитудаый детектор 18, а первую гармонику несущей частоты сигнала К151 выделяет усилитель частоты коммутации 12 (фиг. 2, Z ). Напряжение частоты пО. поступает на второй синхронный детектор 13, на ся1орп 1й вход которого подается сигнал с коммутационного генератора 16 В динамике режим коррекция реализуется следующим образом. Режим коррекции устанавливается при подключении образцового генератора 1 и синхронном замыкании контактов второго прерывателя 14. Предположим, что в результате действия дестабилизирующих факторов частота 015 измерительНОГЧ5 автогенератора 1 изменилась на вепячииу Ди;(смстцение частоты ttif показано пунктиром на (|нг. 2, с5 в ста-гаке, а на фиг. 2t ус- динамике) При этом нарушается условие коррекции К . 1 и появится девиация частоты, вызванная дестабилизирующими факторами, равная (5 2Ь(1)(см. полученное ранее соотношение для о ). На фиг. 2,-6 девиация О средней разностной частоты Шр на выходе полосового фшхьтра Ю показана пунктиром. После синхронного детектирования сигнал корректирующего воздействия на выходе детектора 13 будет иметь форму вьшрямленных полуволн. А на вход шггвгратора 15 в соответствующий период коммутации второго автоматического прерьтателя 14 поступят пачки выпрямпеашых попувоян (фиг. 2, д ), амплитуда которых пропс циональна величине смещения дш частот Ш;| измерительного автогенератора 1. После усреднения в тгтеграторе 15 постоянное напряжение (4яг. 2, 6 ), пульсация которого может быть уменьшена за счет увеличения постоянной времени интегратора t, поступает в цепь управления частотой опорного генератора 2, и его частоты (ЛАг. U/2 перемещаются по частотной оси до тех пор, пока не вьшолнится условие коррекции К 1 (с точностью до сшибкн некомпенсаши предложенной замкнутой динамической системы). При этом величина Д(иобратится в нуль. Измеряемая же величина Atf не будет скомпенсирована, поскольку в момент прохонсдения информационно го сигнала с частотой й- (при подключении измерительного датчика 3 с контролируемьгм объектом в резонансный контур измерительноххз автогенератора 1), пропорционального девиации частоты cf измерительного генератора 1, второй прерьгеатель 14, и, следовательно, цепь коррекции измерителя разомкнута. Как видно из фкг, 2q и-€, а также из соотношения для девиации частоты 5 И условия коррекции (которое поддерживается автоматически), амплитуда сигна ла не завнсиг от абсолютного значения средней разностной частоты пределах линейности рабочего склона резсннаисной характеристики входного звена частотного детектора 11, измеряемый параметр, пропо|жиональный величине сГ не зависит от абсолютных значений частот генераторов и, следовательно, от медпешых дрейфов этих частот, поскольку частота коммутации Q. подбирается таким образом, чтобы за период коммутации (2 Х/ 5t величина дрейфа практически не менялась. Кроме того, использование идентичных датчиков, вьтолненных на одной подложке по дифференциальной схеме, позволяет умеЕшшить погрешность измерения, связанную с нестабильностью измерительно го датчика 3. Это возможно в том случае, когда внешние факторы (температура, влажность и т.д.) в одинаковой мере влияют на емкости измерительного 3 и образ1дового 4 датчиков. Чтобы устранить погрешность, вызванную неравенством значений емкостей датчиков 3 и 4 (в начальный момент), необходимо в отсутствие объекта измерения произвести установку устройства в нуль (по индикатору 21). Для этого, с подспроечного элемеята (не показан), изменяют емкость измерительного датчика 3. При :исчезаЕТ частотная девиация cf 2да (фяг. 2, ), и НЗМ&ритель готов к работе. Режим измерения осуществляется после ручной установки нуля к не оггпвчается от сяшсаннсих) выше. Случайные медпенные дрей4| 1 частот генераторов 1 к 2, независимо от изменений абсолютных значений частот ЬЦ, Ю. и U, автоматически исключаются при вьшолнении условия К ,г . Однако при выбсре постоянной времени интегратора 15 (усредняющего звена) должно быть соблюдено соотношение где Tj-j - некотс ая постоянная времени генератсфов 1 и 2, в течение которой частоты генераторов стабильны; С - постоянная времени усредцяющего звена (интегратора); ft - частота коммутации на которую наносятся информационный сигнал. Таким образом, предлагаемая в Измерителе коррекция ухода частоты генераторов 1 и 2 с кспользовазгаем различных частот 5i и шО. коммутации по трактам измерения и подстройки позволяет осуществлять автоматическую селекцию инфо1 лативного и корректирующего воздейстЕИя, что дает возможность повысить точность измерения малых приращений емкости диэлектрического материала, связанных с изменением 0х диэлектрических характеристик. Достоинстве измерителя является также повьш1ение чувствительности измерений в два раза по сравнению с известными автогенератс жыыи измерителями, основанными на измерешш приращений частоты, поскольку в предлагаемом устройстве Измеряемое прааращение равно (Г 2 ДШ . Формула изобретения Устройство для язиереаяя емкости диэлектриков, содержащее измерительный генератор, соединенный, входом с первыми выводами измерительного и опорного датчиков, выходом - с первым входом смесителя, соедашеиного выходом через полосовой фильтр, частотный детектор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входом первого окнхронного детектора, выход которого соединен с входом индикатора, опорный генератор, соедшенный выходом с вторым входом смесителя, входом - с выходом интегратора и управляю11аш выводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства, отличающееся тем, что, с цепью повышения достоверности результа тов измерения, в устройство введены конденсатор, коммутатор, первый и второй прерыватели, высокочастотаый усилитель, второй синхронный детектор, дегаггель частоты и генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми входами первого прерывателя и дештепя частоты, соединенного выходом с вторым вхоДЬм первого синхронного детектора. S 0212 первым входом коммутатора и первым входом второго прерывателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом - с выходом второго синхронного детектора, соединенного первым входом через высокочастотный усилитель с выходом частотного детектора, вторым входом с вьтходом генератора синхросигнала и первым входом первого прерывателя, выход которого соединен через конденсатор с входом опорного генератора, второй вход - с корпусом устройства и вторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствующими выводами измерительного и опорного датчиков. Источники информашш, принятые во внимание црн экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 9 429326, кл. G01 N 27/22, 1974. 2.Патент США № 4О48844 л. 324-71, 1977 (прототап).

ч

л Г1

nil

.. I

tJU Of 13Г-

аГг

|щи

III .

lUj