Способ измерения диэлектрических характеристик и устройство для его осуществления

,ТфТР И Л 1,т; Е ИЗОБРЕТЕ ИС ика Онтура расстояний Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам(71) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики НПО "Химавтомат(73) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики НПО "Химавтоматика"(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРЭВЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТРОЙСЯО ДЛЯЕГО ОСУЩЕ СТ 8 ЛЕНИЯ(57) Использование: для исследования диэлектрических материалов, Сущность изобретения: способзаклкйается в двукратном (с Образцом и без Образца) измерении с помощью детекторов 6 напряжения на С-контуре, связанном через импеданс(сопротивление) 2 с высокочастотньа генератором1 и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку 4 с микрометрическию электродами и Одновременном От 1 зеделениисоответствующих резонансу С-кмежду электродами измерительного к Уветвиение тоюости измерений достигаешься дополнитеааам преобразованием сигнала после квадраювюго детеоироваея в обратно пропорционапыай блоком 7, пооте чего его интегрируют, при этом равномерно перемещают электрод измерительного конденсатора-вчем причем интервал интегрирования имеет фиксированную длительность и его середина совпадает с положением электрода, соответствующим резонансу 1 С-контура а проводимость, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяют по фо В 1(О 1.-+ / О- В) . део О - собстенная добротность (без образца) нано груженного Оконтура, определяется при градуировке; 1. - юдуктивность ЕС-контура, Г; о - частота измерения, риф"0 - амплитуда резонансного Г о напряжения на 1.С-контуре лри отсутствующем образце, определяется при градуировке, 21 - диапазон изменею емкости измерительного конденса2001411 22 ФИГСоставитель Ю,АсдгорныйТехред М,Моргентал Корректор С,Шекм аактор Л.Волкова Подписноеиск" Роспатента35, Раушская наб 4/5 Заказ 31 ТиражНПО "Г13035, Москва,ственно-изрательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Пр выход которого соединены соответственно , с вторым выходом.и первым входом блока управления и измерения.4. Устройство по п,З, отличающееся тем, что блок управления и измерения содержит процессор, оперативную память, перепрбграммирумую память, индикаторную универсальную панель с клавиатурой, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, преобразователь частота - код, формирователь рел ейных управляющих сигналов, которые обьединены с соответствующими связями, шина управления, ад реса и данных, реверсивный двигатель, управляющая обмотка которого через реле соединена с источником переменного напряжения, входы первого и второго анвло. го-цифровых преобразователей и преобразователей частота - код яеляются соответственно первым, вторым и третьим входами блока, выход формирователя релейных сигналов - вторым выходом блока, выход реверсивного двигателя - первым выходом блока.тора, Чгже Ч - скорость изменения емкости измерительного конденсатора - ячейки, пф/С а Ф - половина времени интегрирования,О (П - напряхжение на выходе интегратора гюсле окончания интегрирования при помещении образца в межэлектродное пространство ячейки; О (,Г) - напряжениеона выходе интегратора при отсутствующем образце в ячейке после окончания интегрирования. 4 злфлы,2 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для исследования диэлектрических материалов.Известен способ измерения диэлектрической проницаемости веществ, основанный на измерении изменения амплитуды переменного напряжения нз колебательном 3 С-контуре. и редев рител ь но расстроенном относительно частоты измерения, после заполнения сго исследуемым веществом,Устройство для реализации этого способа содержит высокочастотный генератор, через импеданс связанный с 3 С-контуром с включенным в него измерительным конденсатором-ячейкой, амплитудный летектор и вольтметр, Перед измерениями при пустой ячейке резонансный контур настраивают таким образом, что начало отсчета находится на верхней точке линейного участка резонансной характеристики, если частота резонансного контура ниже частоты генератора, или в нижней точке линейного участка, если частота резонансного контура выше частоты генератора. При заполнении ячейки анализируемым веществом ее емкость увеличивается пропорционально диэлектрической проницаемости и напряжение на контуре изменяется на соответствующую величину, Этот способ обладает высоким быстродействием, а устройство для его реализации не сложно.Недостатками данного способа измерения являются следующие: узкий диапазон измерения, длина оабочего участка характеристики, имеющего нелинейность менее 3%, составляет всего несколько пикофарал, низкая точность, обусловленная нелинейно- стью рабочего участка до 3 , даже при исследовании веществ без потерь. и очень высокая зависимость результатов измерений от потерь в исследуемом веществе,Известен способ измерения диэлектрической проницаемости (см, авт.св, СССР М 765754, кл. б 01 Я 27/22), основанный на измерении амплитуды напряжения высокой частоты на параметрически модулированном С-контуре с измерительным конденсатором-ячейкой и ее низкочастотной огибающей, при этом диэлектрическую проницаемость определяют по изменению отношения амплитуды низкочастотной огибающей напряжения высокой частоты к кубу амплитуды напряжения высокой частоты до заполнения и после заполнения ячейки исследуемым веществом.Устройство для его реализации 1 содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты. резистор связи и емкостный датчик, включенный е парал лельный измерительный 3.С-контур с модулирующим элементом, модулятор, первый амплитудный детектор, вход которого соедичен с измерительным контуром, два делителя напряжений, первые входы которых соединены с выходом первого амплитудного,детектора, детектор огибающий. выход которого соединен с вторым входом первого целителя напряжений, а вход - с измерительным контуром, два квадратора, блок вычисления квадратного корня, два блока вычитания напряжений и источник опорного напрях;ения, выход которого соединен с одним из входов второго блока вычитания напряжений, второй вход которого через блок вычисления квадратного корня соединен с выходом первого блока вычитания напряжений, один из входов которого связан с выходом первого квадратора, второй амплитудный детектор и перемножитель.Выходом устройства по действительной (е) составляющей диэлектрической проницаемости является выход перемножителя, а по мнимой (е ) - выход второй схемы вычитания напряжений,Достоинством описанных способа и устройства является быстродействие, а недостатками - узкий диэпазон измерения приращения емкости ячейки, низкая точность измерения диэлектрической проницаемостии (нормируемая погрешность измерения е серийным преобразователем ДКЗДП 80 ТУ 5 К 2.849.006 составляет 10 ) и практическая непригодность для измерения малых потерь Е,Наиболее близким к предлагаемому способу является способ сохранения емкости, описанный е ГОСТ 22372-77 метод Нагтз-Ьогп. апс 3 ЧЧагс 3 см. ЧЧ,Рес 3 с 33 эЬ, Ргес 3 зе гпеэацгегпеп 1 О 1 с 3 е 3 ессг 3 с ргорегтеэ ас гасо 1 гес 3 оепс 3 еэ. Ргос. 3 ЕЕ. чо 3. 118, М 1, 3 эпоэгу 1971, р. 255, состоящий в измерении с помощью амплитудного детектора ВЧ- напряжения на 3 С-контуре, содержащем измерительный конденсатор с микрометрическими электродами и связанном через импеданс связи с высокочастотным генератором, и двукратной (с образцом и беэ образца) настройке 3 С-контура в резонанс изменением межэлектродного расстояния в измерительном конденсаторе.При этом диэлектрическая проницаемость вычисляется по формуле ЬЕЬ - (д - с 3 о ) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 где 3, - толщина образца;Ох - расстояние лфежду электродами ячейки, соответствующее резонансу контура при помещенном в ячейку образце;д - расстояние между электродами ячейки, соответствующее резонансу конту ра при пустой ячейке.Тангенс угла диэлектрических потерь вычисляется по формуле2Оо - Огх 1 дотд О Р10Огх ш 1 где Ого - резонансное напряжение, измеренное на выходе амплитудного детектора, при отсутствующем образце;Огх - резонансное напрлжение, измеренное на выходе амплитудною детектора, при помещенном в измерительный конденсатор-ячейку образце;9 - собственная проводимость нагруженного 1 С-контура, эквивалентная собст 20венным потерлм постоянная определяется при градуировке), См;и) - частота измерения, рад/с;К - посгоянная ячейки, пФ.Для реализации описанного способаприменяются или куметры, или диэлькометры типа ТАНГЕНСМ, Ш 2-5, Ш 2-7.В качестве прототипа выбран диэлькометр Ш 2-7, разработанный Ангарским ОКБА. Туб5 К 1,551 028 ТУГосреестр 9931-86.Известное устройство для измерениядиэлектрических характеристик, реализующее описанный:пособ, содержит высо очастотный генератор, через импеданс связанный с 1 С-контуром с включенным в него измерительным конденсатором с микрометрическими электродами. детектор, преобразователь перемещения в частоту, вход которого механически связан с подвижным электродом измерительного конденсатора, блок измерений и управления,Устройство работает следующим образом.Измерительный контур дважды (с образцом и без образца) настраивается в резонанс по максимуму напряжения с помощью изменения расстояния между электродами измерительного конденсатора, Диэлектрическая проницаемость опре 50деляется по резонансным расстояниям между электродами, а потери - по изменению напряжения на выходе детектора.Недостатками описанного способа яв 55ляются низкие точность и быстродействие, невозможность автоматизацииДействительно, практически невозможно создать устойчивую систему автоматической настройки (статическую или астатическую) контура в резонанс с помощью микрометрического электрода.При диаметре электродов ячейки 50 мм и толщине исследуемого образца 1 - 2 мм и диэлектрической проницаемости две-три единицы резонансное межэлектродное расстояние беэ образца бо менее миллиметра, а ширина резонансной характеристики на уровне 0,7 менее 0,1 мм, Поэтому, чтобы обеспечить удовлетворительную точность измерения диэлектрических потерь, установку соответствующего резонансу межэлектродного расстояния Оо необходимо обеспечить с погрешностью не более 15 мкм,Целью изобретения является и- чшение точности измерения диэлектри;,.ких потерь при одновременном повышении скорости и автоматизации измерений,Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения диэлектрических характеристик, состоящем в двукратном (с образцом и без образца) измерении с помощью детектора напряжения на .С- контуре, связанном через импеданс (сопротивление) с высокочастотным генератором и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку с микрометрическими электродами, и одновременном определении соответствующих резонансу 1 С-контура расстояний между электродами измерительного конденсатора, дополнительно после квадратичного детектирования сигнал преобразуют в обратно пропорциональный и интегрируют, при этом равномерно перемещают электрод измерительного конденсатора-ячейки, причем интервал интегрирования имеет фиксированную длительность и его середина совпадает с положением электрода, соответствующим резонансу С-контура, а проводимость, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяют по формуле19 х хОо в 1 где Оно - собственная добротность (без образца) нагруженного 1.С-контура, определяется при градуировке,- индуктивность 1 С-контура, Гц;ю - частота измерения, рад/с;О - амплитуда резонансного напряжения на 3 С-контуре при отсугствующем образце, определяет" л при град;ировке,21 - диапазон изменения е 1 кости измерительног- конлд саторп нгрь 1 але ин2001411 10 45 50 55 тегрировдния, симглетричном относительно резонансного положения подвижного электрода. 1=ч т, где ч - скорость изменения емкости измерительного конденсатора- ячейки, пФ/с, а 1 - половина времени интегрирования,с:О, - напряжение на выходе интегратора после окончания интегрирования при помещении образца в межэлектродное пространство ячейки;ОоО ) - напряжение на выходе интегратора при отсутствующем образце в ячейке после окончания интегрирования,Интервал интегрирования устанавливают равнь.м времени прохождения ширины резонансной характеристики контура при отсутствующем образце на уровне 0,7. Цель достигается также тем, что в устройство для измерения диэлектри ,еских характеристик по предлагаемому способу, содержащее высокочастотный генератор, через импеданс связанный сС-контуром с включенным в него измерительным конденсатором с микрометрическими электродами, детектор, вход которого связан с ЕС-контуром, преобразователь перемещения в частоту, вход которого механически связан с подвижным электродом измерительного конденсатора, блок измерений и управления, выход которого связан с подвижным электродом измерительного конденсатора, а входы блока управления связаны с выходами детектора и преобразователя перемещения в электрический сигнал (частоту) дополнительно введены интегратор, выход которого связан с входом блока измерений и управления, схема формирования выходного сигнала обратно пропорциондльного входному, включенндя между выходом детектора и входом интегратора, причем детектор имеет квадратичную характеристику, а управляющий вход-интегратора связан с дополнительным выходог блока управления и измерений. Введение операций преобразования после квадратичного детектирования сигнала в обратно пропорциональный и его интегрирования при равномерном перемещении подвижного электрода ячейки в области симметричной относительно положения электрода, соответствующего резонансу (.С-контура, позволило автоматизировать процесс измерения без введения системы авторегулироваия и обеспечило повышение точности зд счет получения более точной инфорглдции о резонасной характеристике контура по сравнению с простым измерением резонансого ндпряжения,5 10 15 20 25 30 35 40 Установление интервэла интегрироввния равным времени прохождения ширины резонансной характеристики С-контура при отсутствуюгцем образце на уровне 0.7 (половины мощности) минимизирует составляющую погоешности, обусловленную его нестабильностью.Сравнение заявляемых технических решений с прототипогл позволило установить соответствие их критерию "новизна", При изучении известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "существенные отличия",На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - принципиальная схема блока управления и измерений предлагаемого устройства.Устройство содеожиг ВЧ-генератор 1, импеданс связи 2, катушку 3 индуктивности, измерительный конденсатор 4 с микрометрическими электроддгли, преобразователь 5 перемещения в частоту, квадратичный детектор б, блок 7, обратно пропорциональный форгл лровдтель сигналов, интегратор 8, блок 9 управления и измерений.Блок управления 9 содержит процессор 10, оперативную память ОЗУ 11, перепрограммируемую память ППЗУ 12, панель 13 индикаторную универсальную с клавиатурой, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 14 и 15, преобразователь частота-код 16, формирователь релейных управляющих сигналов 17, реверсивный двигатель 18, реле 19.Первый выход блока 9 управления и измерений (вал реверсивного двигателя 18) связан с микрометрическим электродом измерительного конденсатора 4, второй выход блока 9 (выход фоомирователя 17) электрически связан с управляющим входом интегратора 8, включенного между выходом блока 7, преобразующего входной сигнал в обратно пропорциональньй, и первым входом 3 блока 9 управления, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами квадратичного детектора 6 и преобразователя 5 перемещения в частоту,Устройство работает следующим обрдзом. Подвижный электрод опускается на образец, измеряется толщина образца по показаниям преобразователя- 1. Дэлее электрод поднимается с постоянной скоростью, при этом периодически (через фиксированный интервал времени) с г 1( г сщью) или прнечетном. М бысродгэйствующега АЦП осуществляетсяизмерение напряжения на выходе детектора Ь. Каждый результат измерения сравнивается с полученым ранее, удаленным отпоследнего на интервал интегрирования 5(2). Пос-е того, как очередной результат измерения окажется меньше полученного ранее, отстоящего от последнего на интервалинтегрирования, блоком 9 управления запускается интегратор 8, а электрод с той же 10скоростью начинает перемещаться в обратном направлении при агом вход интегратора 8 - остается подключенным к выходуде гектора гэ через блок 7 в теение времени,СООГВЕтСте,сОщРГО ИНтореаЛу ИНтЕГрИрОВания атем измеряется напряжение на выходе итегратора, Одовремснно с работойинтеграгора счетчиком, раэмегценным вбло,.е 9 упоавления и измерений, суммлрую 1 ся импульсы, посгупаюшие ча его вход с 20прсобраэовлтРля 5 перемРьцения в частотПо окончании счета в нем фиксируется число иупульсов. соотгетствующее резонансОМу МР:,ЭЛЕК;рОАОМу раССтОЬзИЮГ 1 одобньэ измерения выполняются 25дважд(беэ обрэ;зца и с образцом) между.,;ЕК гСОСЛМИ; ЭМЕРИтЕЛЬНОГО КОНДЕНСатОРагри этом ьоответствРно фиксируются1 Л,(,- нэпряжение а выходе интегратораи ос; - РРзпнансное межэлектРоДное Расстоян е г.ри отсу си вую.цем образце; 0(Я иу 1 х - при наличии образца между электродами ячеики,Определение местонахождения относительно реэонансного положе зия интервала З 5интегрирования (2), с целью повышенияточности, мокно осуществлять следующимобразом,Очередной результат измерения напряжения на выходе дегектора 6 суммируетг,я 40при четном числе Л 1 измерений укладываюИщихся в интервал 2 интегрирования, с ( - -1)2примыкающих к ему предыдущих резульМ - 1 451 атов, а при нечетном числе Л 1 - с ( -- -1),2Полученная сумма сравнива;тся при четномЛ 1М с суммой первых -- , а при нечегном М -2М - 1 50с суммои первых--- результатов,2Если в результате сравнения оказывается, ч 1 о при че 1 ом М М - 12=1+ИХ оо+ Л 1+12то перемещение электрода реверсируется и одновременно запускаются интегратор 8 и счетчик импульсов, поступающих с выхода преобразователя 5 перемещения в частоту на вход блока 9 управления и измерений.Рассмотрим, каким образом измеренные напряжения на выходе интегратора связаны с диэлектрическими потерями в исследуемом образце,Известно, что амплитуда (О) напряжения на ( С-контуре определяется коэффициентом передачи х( -- +(сЭ)(С - Сг), (1) Озч где Он - нагружс иная добротность параллельного (.С контура г,. - частота измерения, рад/с;- индуктивностьС-контура, Гц,у дГ н ц - модуль имовдвнсв связиВЧ-генератора с ЕС-контуром;Р - активная составляющая импедансасвязи (внутреннее сопротивление генератора), Ом,Хсо - реактивная составляющая импеданса связи, Ом;9 о - проводимость, эквивалентная собственным потерям в элементах контура;цх - проводимость, эквивалентная потерям в исследуемом образце;С - Сг - отклонение емкости контура отрезонансного значенияС- СГ=С -- . -- ;УЕ - ЭДС генератора,При чисто активной связи контура с генератором (Хсв =О) уравнение (1) принимает видвА= хК(5)5 цггде Со-Сг - начальная расстройка 1 С-контура относительно резонанса;Х - текущее изменение расстройки емкости контура;10 В+Хг,г 1 г Ег Ог(, +9.) + Хсв или ахОхо Ох о 14 г г 209+29( - +Яо)В +Хсе г ВЕ В+ Х,./ У 1=Вхз-В(со-С,)хг+ (С,-С,)Хг30 + (Со-с,1 ВГ Х+М, (8) е 4 в+ хОго Ю 1 Оно Перейдем к определенному интервалу, учитывая, что при симметричных пределах интегрирования относительно резонансной 35 емкости Сг имеем Со-Сг=0, тогда можно за- писать и из(2) 1 э 1 г3 ус 1= - ВХ +ГХ = 2) ( - В 1+Р) (9) 40 з -з 9 х11+Ш 1 Оно 45 55Постоянные Оно,определяются приградуировке прибора и, соответственнэ, являются собственной нагруженной добротностью и индуктивностью 1.С-контура, а 1.го -.резонансное напряжение на контуре при(6)Ег1Обозначив у- и раскрывая скобкиОгв уравнении (5), получим у - ВХ -2(Со-Сг)ВХ+(Со+Сг) В+Г, (7) Уак следует из уравнения (6), коэффициент 8 не зависит от потеРь (Ях), вносимых исследуемым образцом, т.е, при одних и тех же пределах интегрирования (-1; +1) имеем при отсутствующем образце, У( Яо)е 1=21- В 1 +Г( Яо) (10)-3и при образце. помещенном между электродами измерительного конденсатора. +1 г3 У( 9 о+ Ях) Ох=21- В 1 +Е(9 о+ 9 х) (11) -3Вычитая из (11) уравнение (10), имеем + ++ +1Г У(цо+ 9)б .У (до)б- -- 1В+4.Ег х( + 9 + Я. )г - В 1 В +Хсе где Ох - текущая амплитуда напряжения на с-контуре при образце в межэлектродном пространстве ячейки;Оо - текущая амплитуда напряжения нэ контуре при отсутствующем образце,Имея ввиду из(1) при Со-Сги 9 О.+ 1+ ( -- , х ) ,(15) 21 Выражение (15) является харак геристикой преобразования предлагаемого устройства по измеРЯемой пРоводимости Ях, эквивалентной диэлектрическим потерям в исследуемом образце., (20) ао19 о= ---- е,(22) По аналогии получим(24) отсутствующем образце также определяется при градуировке.Необходимо отметить, что в выражение (15) изменение емкосги ячейки и пределы интегрирования можно выразить через время (1) где ч, - скорость изменения емкости ячейки при перемещении электрода.Диэлектрическая проницаемость исследуемого образца вычисляется по формуле где Ь - голщина образца;Ох - резонансное межэлектродное расстояние при образце внутри измерительного конденсатора;Оо - резонансное межэлектродное ра стояние при отсутствующем образце.Значения Ь, сх и со определяются по сигналам преобразователя перемещения в частоту, а тангенс угла потерь - по формуле где К - постоянная ячейки, пф,Ьоэг 1 ожны следующие типы составляющи:. погрец 1 ности измерения. обусловленных погрешность,о интегрирования: первая Л 91 обусловлена нестабильностью интервала (2) интегрирования по отношению к номинальному (установленному), вторая 692 обусловлена смещением на Лсередины интервала интегрирования относительно момента ггрохождения подвижным электродом резонансного положения, при этол длительность интервала интегрирования соответствует номинальной,Примем во внимание, что колебания длительности интервала интегрирования и смещения его середины, имеют независимый характер при интегрировании с образцом и без него, Продифференцглруем выражение (15)переходя к конечным приращениял, имеем21 О,о9 ох хОно О) 2 По аналогии для составляющей погрешности измерения проводимости, обуслов ленной погрешностью интегрирования безобразца, имеем Погрешность интегрирования, обусловленная несгабильнссгью длительности ин 1 ервала интегрирования, может быть 30 представлена следующигл образом: с 1 Л 1,Л(/ - )=- ---- ", (21) О 2О 2 О 2 З 5откуда, учитывая (9), (1) и (5). получим1+Яо) ставляющая погрешности идимости, обусловленная снием интервала интегриро ется по формуле змерения учвйным ания, опОнойГ 1. Ях+2 Ях(21в +х ф (25) сме ред ности измерениянная случайныминтервала интего формуле 31 2,ох,Оценим чувствительность сп этого оценим составляющие по измерения, обусловленные погр интегрирования при 9 хО. соба. Длрешностешностью 6 Погрешность интегрир енная случайным смеще нтервала интегрировани омента прохождения под ом положения резонан редставлена в виде нием 1=2 (О ижн а, м 42120 2)(33 аеляю неста нин, за висимо длите я и дхоогг иР 0 тегрирования нснпй харакЛ 12 с х Ох,о2, 21 Л 1 Л--- (35) оогг Л с 1 г 1. =0и но абсолютная погрешне зависит от знак нтегрирования и о емого образца. Из 29 Л1 оог ован ность интегрисмещения инпроводимости ф г 1. =- -1 ервала иисследу(Зб ) г 1 их оС о ог УСоставляющая погреш проводимости, обусловле изменением длительности рирования. определяется я, обусловсередины осительно м электро- ожет быть20(32) видно, что сос сти, обусловленная тервала интегрирова ельности. Найдем э щую оптимальную рования, из грешно стью ин его длит ределяю инте гри т,е. оптимальный интервал исоответствует ширине резотеристики контура на уровне или1 1ф 12 а бильноисит от сть, оп ьность