Измеритель параметров диэлектриков и проводящих сред

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 7/2 Д ГОСУДАРСТВЕННЬИ 4ПО ДЕЛАМ ИЗОБ КОМИТЕТ СССР НИЙ И ОТНРЬПИЙ НИ Н ДВТОРСК(54) (57) ИЗМЕ ДИЭЛЕКТРИКО СРЕД, содержа ратор, измерите ный и образцов мутатор, подвиж соединен с вход еп а а ми нысп измерительного вторые выводы ОПИСАНИЕ ИЗОБ(71) Киевский технологический институтлегкой промышленности(56) 1. Патент США Ж 4045728,кл, С 01 Й 27/26, 1977,2, Авторское свидетельство СССР(прототип). РИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВВ И ПРОВОДЯШИХший высокочастотный генельную ячейку; измерительый датчики, первый комный контакт которогоом измерительной ячейвижных контакта соединеыводами соответственнои образцового датчиков,которых соединены с орпусом устройства, коммутационный генератор, последовательно соединенные усилитель постоянного тока и индикатор,о т л и ч и ю ш и й с я тем, что, сцелью повышения точности измерениямалых значений внесенного импеданса,в него введены модулятор, цва встречновключенных вентиля, второй коммутатор,интегратор, квадратурный фазоврашатель,делитель частоты, причем сигнальныйи модулируюший входы модулятора соединены с выходами соответственно высокочастотного и коммутационного генерагоров, входы венгилей соединены свыходом измерительной ячейки, неподвижные контакты второго коммутатора соединены соответственно с выходами вентилей, вход интегратора соединен с подвижным контактом второгокоммутатора, а выход - с входом усилителя постоянного тока, вход квадратурного фазоврашателя соединен с выходом коммутационного генератора, авыход - с входом делителя частоты,выход которого соединен с управляюшимивходами коммутаторов.1051456 2 О Изобретение относится к области нерезрушаюшего контроля параметров материалов, вешеств и идпелий и может быть использовано кен пля измерения реактивных импеценсов катушек инпукФгивности и конленсаторов, тек и для контроля технологических свойств циэлектричсских и провоцяших огъсктов по величине внесенного импепенсе. Известно устройство пля контроляпараметров катушек инцукгивностп, основанное не измерении малых прирашенийвносимого реактивного сопротивления исоцержашее цва автогенерегора, измерительный тракт, соелиненную с Времязлдеюшей цепью опного из евтсгенереторов,образцовую и измерительнун катушкиинауктивности; измерительный тракт состоит из послецовательно соепиненныкчастотного преобразователя, вхоцы которого соеццнены с вьгкодеми автогенераторов, низкочастотного усилителя, синхронного цетектора и инпнкаторе, в так кекоммутатор, поцвижный контакт которого дсоецинен с измерительной ячейкой, а цвенепоцвищных контакта - с первыми вывоцеми катушек, вторые выводы которыхсоепинены с обшей точкой измерительнойячейки, и коммутационный генератор,ЗОвыкоп которого соецинен с опорным хопомсинхронного цетекторе и с цепью управления коммутатор 5 ДНецостетком устройстве являтсянизкая точность измерения, связанная с35наличием коммутационных помех, возникающих на входе измерительного тракта при переключении коммутатора, поскольку нестационарность спектра коммутационных помех привоцит к перегрузкеусилительных звеньев с большими коэффициентами перецечи, е кроме того, вслучае частотной модуляции тестовогосигнала по укаэанной причине изменяетсяспектр зонцируюшего сигнала, что ведетй появлению црейфе нуля (цополнительоной аццитивной погрешности),Наиболее близким по технической сущности к прецлагаемому является извест-.ное устройство для измерения малых при50решений емкости и инцуктивности,основанное на периодическом сравнениицвух поочерецно ввоцимых в измерительный тракт сигналов с синхронным стробированием информационного низко истот 55ного сигнала и содержащее высокочастотный генератор, измерительный и образцовый цатчики, коммутатор, поцвижныйконтакт которого соецинен с времязацаюшей цепью высокочастотного генераторе,е два неподвижных кон гекте соецинены. с пер."ыми вывоцами соответс геенно измерительного и образцового цатчиков, вторые вывопы которых соецинены с кор пусом устройства, послеаовательно соециненные частотный цетектор, вхоц которого соецинен с выхоцом высокочастотного генератора, избирательный высокочестотный усилитель, прерыватель, синхронный цетектор и инцикетор, а также коммутационный генератор, выхоц которого соецинен с опорным вхоцом синхронного цетектора и с цепью управления коммутатора, и последовательно соединенные удвоитель частоты, вхоц которого соецинен с выходом коммутационного генератора, и оцновибратор, вьгхоц которого соецинен с цепью управления прерыветеля 21Оцнахо известное устройство не обладает достаточной точностью измерения из-за наличия коммутационных помех, возникаюших на входе частотного цетектора и прохоцяших через весь усилительный контакт с большим коэффициентомусиления, необхоцимым при измерениималых значений входного информативного параметра, что привоцит к перегрузке и срыву устойчивости усилителя,охваченного, как правило, обратнымисвязями, а цепь стробирования вырезания" коммутационных помех прерывателем в каждый из полупериоцов частоты коммутации включает только звенос малым коэффициентом (синхронныйцетектор), к тому же использованиепрерывателя цля стробирования на выхоцеизмерительного тракта привоцит к собственным коммутационным помехам, анестабильность скважности привоцит кизменению первой гармоники частотыкоммутации, несушей информацию овхоцном измеряемом параметре. Крометого, нестационарность спектра помехкоммутатора вецет к возникновению аццитивной погрешности измерения. Пель изобретения - повышение точности измерения малых значений внесенного импецанса.Е 1 оставленная цель цостигается за счет того, что в измеритель перемет- ров циэлектриков и провоцяшцх срец, соцержаший высокочастотный генератор, измерительную ячейку, измерительный и образцовый цатчики, первый коммутатор, поцвижный контакт которого соецинен с вхоцом измерительной ячейки, е цва не 1051456 4подвижных контакта соедичены с первыми выводами соответственно измерительного и образцового датчиков, вторые выводь которых соединены с корпусом устройства, коммутационный генератор, последовательно соединенные усилитель постоянного тока и инциквтор, введены модулятор, цва встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор, кввдрвтчркый Ьвзовращвтель,делитель частоты, причем сигнальный и мопулируюший входы моцуляторв соединены с выходами соответсгвенно высокочастотногои коммутационного генераторов, входы вентилей соединены с выходом измерительной ячейки, неподвижные контакты вгорого коммутатора соединены соответственно с выходами вентилей, вход интегратора соепинен с подвижным контактом второго коммутатора, а выход - с входом усилителя постоянного тока, вход кввдратурного фазоврашателя соединен с выходом коммутационного генератора, а выход - с входом пелителя частоты, выхоп которого соединен с управляющими входами коммутаторов.На фиг. 1 представлена блок-схема измерителя; на фиг, 2 С 1-сплошными линиями изображены эпюры напояжений на выходе коммутационного генератора, модулятора, кввдратурного фазовращателя, делителя частоты, измерительной ячейки, нв входе и выходе интегратора соответственно, а также паны эпюры выходных напряжений входной цепи формирования импульсов (фиг, 2) в делителе частоты и входного инерционного звена (пунктирная линия нв фиг. 2) в инцикаторе, Причем для простоты графического изображения эпюры гармонических сигнвлов (несуших и огибающих синусоидальных напряжений фиг. 2 0-6, б цЖ"репстввлены в виде пилообразных ривых.Измеритель параметров пиэлектриков и проводящих сред. сопержит коммутационный генератор 1, высокочастотный генератор 2, моцулятор 3, квадратурный фазоврвщатель 4, измерительную ячейку 5, первый коммутвгор 6, делитель 7 частоты нв 2 1 ц (И - целое число; нв фиг. 2 условно приня.то 11=2), измерительный датчик 8 с контролируемым объектом, образцовый датчик 9, вентили 10 и 11, второй коммутатор 12, интегратор 13, усилитель 14 постоянного тока и индикатор 15.Измеритель работает следующим образом.1 О1520 Пыходкые сигналы с коммутациокного 1 и высокочастотного 2 генераторовподаются соответственно на мопулкруюшкй и сигнальный вход моцулятора 3,где в результате их взаимодействияобразуе тся амплигупно-модулированноенапряжение, подаваемое в. качестве зонпкруюшего сигнала на измерительнуюячейку 5, Коэффициент преобразованиямодулятора 3 соглвсоввн с уровнем кесушего сигнала, в качестве которогослужит гармоническое напряжение частоты (,1 с выхода высокочастотного генерато.а 2, и с уровнем модулируюшего сигнала, в качестве которого используется гармоническое напряженке частоты Я (Я Я) коммутационного генератора 1 (фкг, 20 ) таким образом, чтобы выходной амплитудно-модуляционныйсигнал моцулятооа 3 (фкг. 25) имелкоэффициент амплитудной моцуляцкиравный кли близкий к единице100"ц-кая моцуляцкя (степекь приближения зависит от нестабильностей взаимо ейсгвуюшк; сигкалов),303545 Измерительная ячейка может бытьвыполнена в виде колебательного контура, настроенного относительно несущей частоты ь так, чтобы его рабочая точка при подклюценкк через первый коммутатор 6 измерительного 8 кли образцового 9 датцпков, находилась на линейном участке резонансной характерисастота коммутации датчиков формируется кз выходного напряжения коммутационного генератора 1, которое, поступая на квадратуркый фазоврашатель 4, приобретает дополнительный фазовый сдвиг равный 90 (фкг, 2 и ) к с вы 0хода фазоврашателя подается ка входные цепи делителя 7 частоты 2 И-краткого деления, где из гармонического кап ряжен ия час то ты Я фо рм и руе гс я сна чала прямоугольное напряжение той же частоты (фкг. 2 2 ), которое затем преобразуется в прямоугольное напряжение (фиг. 2) частоты Я 2 И ( и- целое число) и используется для синхронного управления работоф коммутаторов 6 и 12. фазовый спвиг модулкруюшего сигнала нв 90 и деление его частоты в четноеачисло раз (2 Г 1) привоциг к тому, что переключение первого коммутатора 6 будет происходить в те моменты времени, когца несущее напряжение частоты зонцируюшего скгквла (вмплктуцномодулированного) равно кли близко В м3 1051 лю (фиг. 2 о и с ), Поэтому коммутационная помеха (на эпюрах не показана), являюшаяся функцией амплитуды н фазы коммутируемого сигнала, также стремится к нулю (в зависимости от глубины модуляции несуцего напряжения в моменты переключения датчиков). Поочередное подключение измери-, тельного 8 и образцового 9 датчиков 10 к измерительной ячейке 5 приведет за счет вносимого импеданса датчиков к периодическому с частотой Я /2 ц изменению частоты настройки контура (коэффициента передачи измерительной ячейки) и к совмещению рабочей точки по склону его резонансной характеристики вследствие чего появится дополнительная ампли. тудная модуляция напряжения зондируюшего сигнала с частотой модуляции Я 2 Ч (фиг. 2 8 ), причем информативным параметром (дважды) амплитудно-модулированного сигнала измерительной ячейки является амплитуда низкочастотной огибаюшей, т.е. амплитуда новой модулирующей функции частоты Я 120, пропорциональная разности реактивных импедансов датчиков, зависяшей от свойств объекта измерения внесенного в поле измерительного датчика, При этом предполагается, что собственные импецансы измерительного 8 и образцового 9 датчиков эквивалентны и в одинаковой мере влияют на импецанс измерительной ячейки (датчики выполнены с минимальными потеря 35 ми, конструктивно ицентичны и соецинены по дифференциальной схеме).Каждый из встречно включенных вентилей 10 и 11 из сложного амплитудномоцулированного сигнала выделяет полу- волны синусоиды несушей ча=тоты Ы однойполярности, например, вентиль 10 выделяет только полуволны положительной полярности, а вентиль 11 - отрицательной и в результате поочередного под 45 ключения их выходов с помошью второго коммутатора 12 к интегратору 13 на входе последнего формируется периодичес,кая послецовательность пакетов положительных и отрицательных полуволн синусоицы высокой частоты 6 д (фиг. 2 А).50Периоц следования пакетов зацается напряжением, поступающим на управляю 1 ций вход второго коммутатора с целилгеля 7 частоты, и равен 4 и пЯ, соответственно длительность оцного пакета равная И яЯа так как первый и второй коммутаторы 6 и 12 управляются синхронно одним напряжением, то среднее значение пакетного напряжения за полупериодкоммутадии, зависящее от среднего значения амплитуды несущей частоты(сложного амплитудно-модулированногосигнала) за тот же полупериод, будетпоопорционал ьно им пецансу да тч ика,подключенного к измерительной ячейке 5.Периодическое изменение знака пакетного напряжения вследствие поочередного подключения встречно включенныхвентилей 10 и 11 к входу интегратора 13 приводит к периодическому пе-резаряду накопительного элемента интегратора 13 и появлению на его выходе пульсируюгдего напряжения (фиг. 2)сплошная линия), величина пульсациикоторого при соответствуюгдем выборепостоянной интегрирования с () 4 ИЯ)может быть сведена к величинегораздо меньшей, чем среднее значение выхоцного напряжения интегратора 13,Необходимо подчеркнуть, что поскольку периоды неинформативной и информативной модулируюших функций0 Я и 11 ЛЯ)ратны, то среднее заполупериод коммутации 2 И ОЛ) значение выхоцного напряжения интегратора 13не зависит от амплитуды (т.е. от глубины модуляции) цополн иге л ьн ог о пеинформативного модулируюшего сигнала частотыД и зависит толькоот среднего (за тотже полупериод) значения амплитудымоцулированного сигнала частоты Я, атак как амплитуда последнего пропорциональна импедансу датчика, подключенно.го в данный полупериод коммутации, тоза один период коммутации (ч И ОР )среднее значение выходного напряженияинтегтагора 13, зависяшее от девиациисреднего значения амплитуды модулированного сигнала (частоты И) за период 1 1 пй, будет пропорционально разности импедансов датчиков 8 и 9, зависяшей от свойств контролируемогообъекта, внесенного в зону чувстви ге; ьности измерительного датчика 8,Напряжение с выхода интегра зра 13через усилитель постоянного тока 14подается на входное инерционное звеноинцикатора 15, выходное напряжение которого (пунктирная линия на фиг. 2),пропорциональное значению внесенногоимпеданса, зависящего от технологичес -ких свойств объекта измерения, регистрируется индикатором,Таким образом, введение дополнительной моцуляции тестового сигнала га- моническим сигпалом при соответствуьи под влиянием коммутециПовышение точности измерения в со четании с низким порогом чувствительносги позволяет использовать измеритель, например для контроля толщины или равномерности покрытий, толщина которых не должна превышать оптимальную, наносимых как для зашиты материалов от коррозии, так и для обеспечения постоянства технологических параметров. При этом с целью сведения к минимуму влияния свойств основы в образцовый датчик помещается изделие или образец материала без покрытия. В этом случае измерения толщины покрытия по существу сводятся к измерению между иэделием и рабочей поверхностью накладного измерительного датчика. При контроле равномерности покрытия в поле образцового датчика помещается образец основы с заданной оптимальной толщиной покрытия. 7 1051 456 шем выборе соотношения между фаза ентом передач ми этих сигналов позволяет исключить онных помех, влияние коммутационных помех, связанных с информативной модуляцией, навходе изме рител ного тракта.Кроме того, в предлагаемом измерителе имеется возможность расширениядинамического диапазона измерений всторону малых значений входного информативного параметра (понижение порогачувствительности) эа счет эффекта накопления информативной составляющейсигнала в интеграторе, поскольку случайные составляющие при большом времени интегрирования незначительноискажают выходной сигнал, и за счетувеличения коэффициента передачи цепейусиления, поскопьку переключение коммутаторов осуществляется в моменты времени, когда напряжение тестового сигналаравно или близко к нулю, благодаря чему исключается возможность перегрузкиусилительных цепей с большим коэффици(15 1456 д Составитель Л, Сотниковаая Техреа А. Ач Корректор Реаактор Т, П сное Филиал ППП, г, Ужгороц, ул. П ая, 4 аз 8658/44 Тираж 710 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и о 113035, Москва, Ж, РаушскПоамитета СССРкры гийя наб о. 4/5