Автоматический измеритель изменений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации Советский патент 1982 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерени параметров диэлектриков, а именно к исследованиям диэлектрических свойств веществ, например, при изучении кинетических и релаксационных процессов, а также при изучении диэлектрического отклика вещества на внешнее воздействие. Известно устройство для измерения частотных характеристик диэлект ческих свойств веществ, содержащее свип-генератор, емкостные делители напряжения, векторомерные фазометры фазовращатели, вычислительные блоки и панорамные регулир тощие приборы, выходы свип-генератора подключены к двум делителям, состоящим из симмет рично смонтированных друг к другу и по отношению к входным и выходным цепям емкостных датчиков и добавочных конденсаторов, а выходы датчиков, в поле одного из которых помещается исследуемое вещество, соединены с входами вычислительных блоков, выходы которых подключены к панорамным регистрирующим приборам 1 Т Недостатком известного устройства является низкая точность изм0| ения, обурловленнаЯ; неидентичностью ячеек сравниваемых каналов, Наиболее близким техническим ре шением к изобретению является устройство для измерения диэлектрической проницаемости, содержащее СВЧ-генератор, соединенный через СВЧ-тройник с двумя каналами из последовательно соединенных ферритового вентиля, аттенюатора, трансформатора постоянного сопротивления, выходы каналов соответственно через . опорный и измерительный резойатор соединен со входс1ми СВЧ-детектора, к входу одного из СВЧ-детекторов подключен переключатель мощности, а выход этого СВЧ-детектора соединен с резонансным усилителем, выход другого СВЧ-детектора соединен с регистратором и через блок автоматической подстройки с входом СВЧ-генератора 2J. Недостатком известного устройст™ ва является низкая точность измерения, обусловленная неидентичностью ячеек сравниваемых каналов, а также ограниченная разрешающая способность устройства по диэлектрической проницаемости. Целью изобретения является повышение разрешающей способности устройства. Поставленная цель достигается те что в автоматический измеритель изменений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости и вре , мени релаксации, содержащий СВЧ-генератор, соединенный с входом СВЧтройника, измерительный и опорный резонаторы, выходы которых через СВЧ-детекторы подключены соответственно к входам резонансного усилите ля и блока автоматической подстройки частоты, выход последнего соединен с входом СВЧ-генератора, и индикатор, введены модулятор, синхронный детектор, третий СВЧ-детектор, два дифференциальных усилителя, два измерителя отношений напряжений, блок опорных напряжений, блок регистрации времени релаксации причем выход СВЧ-тройника через измерительный и опорный резонаторы со динен с входом СВЧ-детекторов, другой выход первого СВЧ-детектора сое ,динен соответственно с одними из входов jiepBoro дифференциального ус лителя и первого измерителя отношений напряжений, другой вход первого дифференциального усирлителя соединен через третий СВЧ детектор с ответвителем СВЧ-мощнос ти СВЧ-тройника, а выход - с другим входом первого измерителя отношений напряжений, выход которого соединен с регистратором мнимой составляющей диэлектрической прони цаемости и с одним из входов второ ,го измерителя отношений напряжений выход которого соединен с регистра тором времени релаксации, другой вход второго измерителя отношений напряжений соединен с выходом втор го дифференциального усилителя, со диненного с регистратором, один из входов второго дифференциальног усилителя соединен с выходом блока опорных напряжений, а другой вход с выходом синхронного детектора, один из входов последнего соединен с выходом резонансного усилителя, а другой вход - с первым выходом модулятора, второй выход которого соединен с другим входом СВЧ-генер ;тора. При этом опорный и измерительны резонаторы выполнены идентичными. На чертеже представлена функциональная электрическая схема устро ства. Устройство содержит рвч-генератор 1, модулятор 2, блок 3 автоматической подстройки частоты, измерительный резонатор 4, СВЧ-тройник опорный резонатор 6, СВЧ-детектор резонансный усилитель 8, синхронный детектор 9 дифференциальный усилитель 10, блок 11 опорных напряжений, регистратор 12 действительной составляющей диэлектрической проницаемости, измеритель 13 отношений напряжений, ответвитель 14 СВЧмощности, СВЧ-детекторы 15 и 16, дифференциальный усилитель 17, измеритель 18 отношений напряжений, регистратор 19 мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, регистратор 20 времени релаксации и дифференциальную измерительную ячейку 21 . Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал, несущий информацию об изменении диэлектрической проницаемости, формируется в каналах опорного и измерительного резонаторов б и 4. СВЧ-генератор 1, модулированный по частоте модулятором 2, стабилизируется по частоте с помощью олока 3 автоматической подстройки по измерительному резонатору 4, поэтому частота СВЧ-генератора 1 непрерывно поддерживается равной частоте измерительного резонатора 4 в процессе измерения. СВЧ-мощность через СВЧ-тройник , 5 поступает в канал опорного резонатора б. Если частота СВЧ-генератора 1 находится в пределах резонансной кривой опорного резонатора б, то через него проходит СВЧ-сигнал, который выделяется СВЧ-детектором 7 и затем усиливается на частоте модуляции резонансным усилителем 8. Усиленный высокочастотный сигнал подается на синхронный детектор 9.Опррное высокочастотное напряжение на синхронный детектор 9 подается от модулятора 2. С выхода синхронного детектора 9 напряжение поступает на дифференциальный усилитель 10, на второй вход которого подается опорное напряжение с блока 11 опорных напряжений. Напряжением блока 11 опорных напряжений задается начальный нулевой уровень на шкале регистратора 12 действительной составляющей диэлектрической проницаемости f , который може быть либо цифровым, либо самопишущим милливольтметром. Одновременно разностное напряжение с дифференциального усилителя 10 подается на измеритель 13 отношений напряжений для формирования выходного сигнала, пропорционального времени релаксации t .. Напряжение на выходе резонансного усилителя 8 пропорционально крутизне резонансной кривой опорного резонатора 6, выполняющего функции частотного дискриминатора. Это означает, что в зависимости от соотношения между частотами опорного и измерительного резонаторов напряжение на выходе резонансного усилител.1 8 пропорционально производной от сигнала ре зонансной кривой опорного резонатора б. Характер и форма выходных сиг налов резонансного усилителя 8, син хронного детектора 9 и дифференциал ного усилителя 10 предопределякзт вы бор рабочего участка на резонансной характеристике опорного резонатора что достигается выбором, начального соотношения между.частотами опорног и измерительного резонаторов 6 и 4. Резонансная кривая опорного резо натора 6 соответствует зависимости напряжения Ujg СВЧ-детектора 7 (по постоянному току) от частотной расс ройки измерительного и опорного рез наторов 4 и 6. Сигнал производной- резонансной кривой Uy. опорного резонатора 6, соответствующий текущей расстройке частот между измерительшлм и опорным резонаторами 4 и 6, выделяется резонансным усилителем 8 Напряжению Оц соответствует начальная расстройка частоты опорного резонатора 6 относительно частоты измерительного резонатора 4,т.е. fi-f I . , о ич Формирование выходного сигнала, пропорциональнбго изменению мнимой составлякхцей диэлектрической проницаемости ДС, осуществляется в канале измерительного резонатора 4. „ Непрерывное измерение изменений л достигается сравнением СВЧ-мощности, поступающей на вход измерительногр резонатора 4, с СВЧ-мощностью на его выходе. Для .этого с помощыб ответвителя14 СВЧ-мощности часть СВЧ-мощности посггупает на СВЧ-детек тор 15, и его Напряжение принимается опорным для сравнения с напряжением, которое вьвделяется на СВЧдетекторе 16. В исходном состоянии СВЧ-мощность до и после резонатора 4 и соответственно напряжение на СВЧ-детекторах 15 и 16 устанавливаются равными. Напряжение с СВЧ-детекторов 15 и 16 подаются Н9 дифференциальный усилитель 17, на выходе которого текущее напряжение равно разности Ди и„,-U.. Отношение гг- формируется на выходе измерителя отношений напряжений, на соответствующие входы которого пост пают сигналы от дифференциального усилителя 17 и СВЧ-детектора 16. В приближении относительно малых изменений коэффициента диэлектрических потерь ё шкалу регистратора 19 мнимой составляющей диэлектрической проницаемости можно програду иров ать непосредственно в единицах в . Разрешающая способность устройства по , определяется начальными потерями вещества (т.е. величиной Q) и чувствительностью днфферен циального усилителя 17. Напряжения с выходов Измерителя 18 отношений напряжений и дифференциального усилителя 10 подаются на измеритель 13 отношений напряжений, на выходе которого формируется сиг, нал, пропорциональный отношению ui, . , с целью обеспечения работы уст|ройства при предельных уровнях чувствительностей по , , Ckt необходимо обеспечить идентичность сравниваемых каналов, содержащих опорный и измерительный резонаторы. Поэтому измерительный и опорный резонаторы 4 и 6 выполнены в виде единого блока идентичных резонаторов, образующих дифференциальную измерительную ячейку 21, Предельно высокая чувствитель,ность истройства позволяет исследовать поведение систем при относительно малых внешних возмущениях, а также исследовать релаксационные процессы, удовлетворяя условию малости взаимодействия между молекулами (например, при измерителях времени релаксации и дидольных моментов, полярных молекул в исколярных растворителях при Мс1лых концентрациях) . Фо1ялула изобретения 1. Автоматический измеритель изменений составляющих -комплексной диэлектрической, проницаемости и времени релаксации, содержащий СВЧгенератор соединенный с входом СВЧтройника, измерительный и опорный резонаторы, выходы которых через СВЧ-детекторы подключены соответственно к входам резонансного усилителя и блока автоматической подстройки частоты, выход последнего соединен с входом СВЧ-генератора, и индикатор, отличающийс я тем, что, с целью повьвиения разрешающей способности, в него, дополнительно введены модулятор, синхронный детектор, третий СВЧ-детектор, два дифференциёшьных усилителя, два измерителя отношений напряжений, 0ЛОК опорных напряжений, блок регистрации времени релаксации, при чем выход СВЧ-тройниКа через измерительный и опорный резонаторы соединен с входами СВЧ-детекторов, другой выход первого СВЧ-детектора сое диНен соответственно с одними, из входов первого дифференциального усилителя и первогб измерителя отношений напряжений, другой вход первого дифференциашьного усилителя соединен через третий СВЧ-детектор

с ответвителем СВЧ-мощности СВЧтройника, а выход - с другим входом первого измерителя отношений напряжений , выход которого соединен с регистратором мнимой составляющей диэлектрической проницаемости и с 5 одним из входов второго, измерителя отношений напряжений, выход которого соединен с регистратором времени релаксации, другой вход второго измерителя отноиения напряжений соединен 10 с выходом второго дифференциального усилителя, соединенного с регистратором, один из входов второго дифференциального усилителя соединен с ВЫХОДОМ блока опорных напряжений, 15 а другой вход - с выходом синхронного детектора,один из входов последнего соединен с выходом резонансного Усилителя, а другой вход с первым выходом модулятора, выход которого соединен с другим входом СВЧ-генератора.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что опорный и измерительный резонаторы выполнены идентичными.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 381Q44, кл. G 01 R 27/26, 1971.

2.Авторское свидетельство СССР № 263981, кл. G 01 N 27/22, 1966.