Устройство для измерения диэлектрических параметров веществ

,Од ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРМ 949543, кл, 6 01 й 27/26, 1982,Авторское свидетельство СССРМ 1277019, кл, 0 01 й 27/26, 1985.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии. Целью изобретения является упрощение устройства и повышение тонности измерения, Устройство для измерения диэлектрических параметров содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостныйдатчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варикапы 5, модулятор 6, демодулятор 7, первый 8 и второй 9 амплитудные детекторы, квадратор 10, перемножитель 11, блок 12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости и источник 14 опорного напряжения. Введение в устройство дифференциального усилителя 13 позволяет упростить устройство, увеличить точность измерения за счет введения петли обратной связи, поддерживающей неизенной амплитуду ВЧ-напряжения на измеительном контуре при любых значениях роводимости исследуемого образца. 1 ил.Е"Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии.Цель изобретения - упрощение устройства и повышение точности измерения,На чертеже изображена принципиальная схема предложенного устройства.Устройство для измерения диэлектрических параметров содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостной датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие элементы (варикапы) 5, модулятор 6, демодулятор 7, первый 8 и второй 9 амплитудные детекторы, квадратор 10, перемножитель 11, блок 12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, дифференциальный усилитель 13 и источник 14 опорного напряжения.Устройство работает следующим образом.С генератора 1 через резистор 2 связи напряжение поступает на измерительныйС-контур, образованный емкостнымдатчиком 3, катушкой 4 индуктивности и модулирующими варикапами 5,Аналитически при неизменной амплитуде напряжения (Е) на выходе генератора амплитуда напряжения (0) на контуре определяется модулем коэффициента передачи (А), являющегося функцией параметров измерительной схемы, в том числе емкости контура и проводимости(9), эквивалентной потерям в исследуемой пробе, заполняющей емкостный датчик 3, т. е.О ЕЕ +В(1) где Е - полное сопротивление измерительного контура;В - сопротивление резистора 2 связи,г Й - обА=К 1+ йдг+(1 - оРС)г ) - об р)Р г где . - индуктивность катушки 4;С - полная емкость контура, равная сумме емкостей датчика 3 и модулирующих варикапов 5;и - круговая частота измерения.Модулятор 6 периодически изменяет емкость варикапов на величину См.Вследствие неравенства коэффициентов передачи измерительной схемы при двух значениях емкости модулирующих варикапов 5 высокочастотное напряжение на контуре модулируется по амплитуде, Демодулятором 7 выделяется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном контуре. Если изменение емкости модулирующих варикапов 5 удовлетворяет условию1См(, то амплитуда модуляции выаР 1сокочастотного напряжения на контурепропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи, т. е,Ом= Е - СмАдс(3)Первая производная модуля коэффициента передачи на емкости (крутизна резонансной характеристики) определяетсяаналитическим выражением;д 1 - аРС г,АзС 1или- ",= с, - )Ю(4)где Сг - значение емкости контура, соответствующее резонансу (в -С ),11 СгИз уравнений (1), (3) и (4) получаем выражение, связывающее отклонение Ьс емкости контура от резонансного значения снапряжением на выходах демодулятора 7 -Ом и амплитудных детекторов 8 и 9 - О и Есоответственно, т. е.:30Ьс= Сг - С = Р.О ЕОз(5)где р - коэффициент пропорциональности1аРсвгДифференциальный усилитель 13 в петле обратной связи обеспечивает стабилизацию напряжения на измерительномконтуре, Напряжение на измерительномконтуре поддерживается равным опорному4 О О"Если положить опорное напряжениеравным единице, то уравнение (5) можетбыть записано в видеЛс = рОмЕ (7)45 С выхода демодулятора 7 напряжениеОм поступает на первый вход перемножителя 11, на второй вход которого с выходаамплитудного детектора 9 через квадратор10 поступает напряжение Е, равное амплиО туде колебаний на выходе генератора 1. Врезультате на выходе перемножителя 11 всоответствии с уравнением (7) формируетсянапряжение, пропорциональное отклонение ЬС емкости контура от резонансногозначения. Если при незаполненном датчикеконтур настроить в резонансе, то после заполнение датчика напряжение на выходеперемножителя 11 будет пропорционально.величине / е - 1/,где е - действительная часть диэлектриче 1ской пропорциональности пробы,Далее напряжения с выходов квадратора 10 и перемножителя 11 поступают навходы блока 12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости,на выходе которого в соответствии с уравнением=(8) рциональный ой потерям в ении (8) велипряжение на2Ом Ез формируется сигнал, пропо проводимости ц, эквивалент исследуемом образце. В ура вн чине (Е/О) соответствует на выходе квадратора, а велич а выходе перемножителя 11, е (8) можно получить из исход ия (2) с учетом уравнений (1) и напряжениеУравненного уравнен+ 9)2 1 Е1куда с учетом выраженавнение (8).Учитывая, что мн йР (Сг - С(5) получаем имая составляюща я диэлектрической проницаемости связана с проводимостью соотношением е -- -, где Ся - рабочая емкость датчикаи 9ЮСи3, то при неизменных частоте генератора 2 и емкости датчика 3 выход блока 12 может быть проградуирован в значениях мнимой составляющей едиэлектрической проница ем ости.Таким образом, предлагаемое устройство является более простым, так как введение в него элементов, стабилизирующих амплитуду напряжения на контуре (операционного усилителя и источника опорного напряжения, включенных в петлю обратной связи), позволяет исключить два делителя напряжения.Одновременно это повышает точность 50 измерения, так как наличие делителей напряжений является основным источником погрешности обработки измерительной информации,Квадратор, блок вычисления мнимой составляющей е" диэлектрической проницаемости, содержащий квадратор, схему извлечения квадратного корня и две схемы вычитания напряжений, можно реализовать на базе операционных усилителей и аналоговых умножителей и интегральном исполнении, Так, в аналоговой схеме извлечения корня квадратного используется операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи включается аналоговый умножитель.Погрешность измерения диэлектрической проводимости в данном устройстве снижается о 60 .дФормула изобретения Устройство для измерения диэлектрических параметров веществ, содержащее последовательно соединенные генератор высокой частоты, резистор связи и емкостной датчик, включенный в параллельный измерительныйС-контур с модулирующим элементом, модулятор, выход которого соединен с управляющим входом модулирующего элемента, демодулятор и первый амплитудный детектор, входы которых объединены и соединены с измерительнымС-контуром, второй амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, перемножитель, квадратор, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход которого является первым выходом устройства, блок вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, выход которого является вторым выходом устройства, и источник опорного напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности измерения, в него введены дифференциальный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй выход которого соединен с выходом первого . амплитудного детектора, выход второго амплитудного детектора соединен с входом квадратора, выход которого соединен с первым входом блока вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, второй вход которого соединен с выходом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом демодулятора.