Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 15328 51)4 С 27 22 ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИИ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 57) Изоб ельной т етение относится к 1 ериия хникеЦель изобретен точности измерений. У держит емкостный накл люченный в колебатель овышени ст роиство с датчик, в нератоия,ибратор,а счетнсного т т счет 2ОСУДАРСТВЕННЪЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) 10.А.Скрипник, А.Н.Дыков и В.А.Фролов(56) Авторское свидетельство СССР 11 1073679, кл. С 01 И 27/22, 1982.Авторское свидетельство СССР Р 1456859, кл. С 01 Б 27/22, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к областиизмерительной техники и может бытьиспользовано для контроля объемнойплотности диэлектрических материалов,например нетканых материалов из синтетических волокон, после операцийхолстообразования, иглопробивания,термоусадки и т.п.Целью изобретения является повышение точности регистрацииобъемнойплотности в процессе контроля измерений,На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства; на фиг. 2 - зона распределения электрического поля.Устройство содержит диэлектрическое основание 1, на котором расположены высокопотенциальный 2, низкопотенциальный 3 и эквипотенциальныедополнительные 4 и 4 электроды датчика, выполненные в виде компланарных концентрических колец, касающих"ся контролируемого материала 5, выконтур, два высокочастотных г. ра, ключи, схемы ИЛИ и умноже фильтры низких частот, мульти Цель изобретения достигается поочередного возбуждения резон контура колебаниями двух симм ных относительно резонанса ча что обеспечивает стабильный о параметра от нулевого значени сокочастотные управляемые генераторы6 и 7, выходы которых через управляе- Ъ аамые высокочастотные усилители 8 и 9подключены к входам схемы ИЛИ 10,выход которой соединен с автотрансформатором 11, образующим по вторичной обмотке с подстроечным конденса- (Отором 12 и электродной системой 2-3 фРколебательный резонансный контур, выход которого соединен через повтори- (фтель 13 напряжения с эквипотенциаль- (д(ными электродами 4 и 4, а также с . Я 1одним входом множительной схемы 14второй вход подключен к выходу схемыИЛИ. К выходу схемы 14 подключеныпоследовательно соединенные фильтр ф15 низкой частоты, низкочастотныйусилитель 16, первый управляемый выпрямитель 17, регистрирующий прибор18, при этом управляющий вход выпрямителя 17 подключен к выходу мультивибратора 19К выходу мультивибратора 19 подключен триггер Шмидта 20, 532859(1)35относительная диэлектрическая проницаемость подложки датчика;относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала при неизменном составе последнего,пропорциональная объемнойплотности Р;объемная плотность контролируемого диэлектрического материала; где Е,коэффнциент, отражающий Ч=Е +к различие в диэлектрическихсвойствах контролируемогоматериала и окружающей среды 1относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха);постоянные коэффициенты,определяемые площадью конденсатора датчика, шириной 50 55 А, В -прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей 21 и 22, входы которых подключены к источнику 23 по 5 стоянного напряжения, а выходы соответственно к входам питания высокочастотных генераторов 6 и 7. К выходу схемы ИЛИ 10 подключены также после, довательно соединенные амплитудный детектор 24, второй фильтр 25 низкой частоты, второй усилитель 26 низкой , частоты, второй управляемый выпрями, тель 27, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного , усилителя 9, а управляющий вход с выходом мультивибратора 19, вторичнаяобмотка автотрансформатора 11 шунтирована подстроечным конденсатором 12.Устройство работает следующим об разом.Диэлектрическое основание 1 датчика с высокопотенциальным 2 и низкопо, тенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в 25 материал 5 с контррлируемой объемной , плотностью. Емкость накладного датчика с периодической структурой электродов определяется диэлектрическими проницаемостями подложки датчика, контролируемого материала и окружающей среды:(3) выравниваются по амплитудам усили,телями 8 и 9, проходят. через схемуИЛИ 10 и воздействуют поочередно напервичную обмотку автотрансформатора 11, к вторичной обмотке которогоподключены подстроечный конденсатор12 и емкость электродной системы:измерительный высокопотенциальныйэлектрод 2 - контролируемый материал5 - низкопотенциальный электрод 3.Комплексный коэффициент передачирезонансного контура, образованногоавтотрансформатором 11, подстроечным конденсатором 12, электродами2-3 при малых расстройках определяется выражением 1 Ь)к(м)= --- = -. П, (ы) 1 1+,1 Л 1 о Ь где Ц= - -гдобротность резонансного контура; резонансная частота контура;24 ы--- относительная рас- )рстройка контура;абсолютная расстройка контура;емкость,. образуемая электродной системой 2-3 и подстроечным конденсатором 12, входящим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала;индуктивность контура; сопротивление потерь контура;круговая частота напряження, возбуждающего контур. Ы Л -ЬрЬи = и)-ыР электродов и зазором между ними;Ь " толщина контролируемого ма"териала,Триггер 20 с частотой й, определяемой параметрами мультивибратора 19, через электронные ключи 21, 22 обеспечивает поочередно подачу постоянного напряжения от источника 23 к входам питания высокочастотных генераторов 6, 7. Пакеты генерируемых колебаний высокой частоты15328596а фаэовые сдвиги напряжения У; 11,по отношению к напряжению на выходесхемы ИЛИ определяются выражениями пере(5)(р"агсВЛО,Амплитуда и фаза напряжений на резонансном контуре с учетом диэлектрических параметров контролируемого материала 5, а также с учетом того обстоятельства, что возбуждающие на" пряжения высокочастотных генераторов выравниваются Ж =Б=Б определл)гляется выражением: 10 У=К)У вп,),й+Ч+(у,), 0 (й-Тгде (А) (л) - круговые частоты напряжений высокочастотныхгенераторов 6, 7;К К г - коэффициенты передачирезонансного контура начастоте (А), и (л) соответственно;Ч Ч - фазовые сдвиги, вносимыерасстроенным контуромна частотах (л), и (л) л2 ОТ= -- период переключения генераторов 6, 7.Параметры резонансного контура подобраны таким образом, что при частоте (л)1 генератора 6 рабочая точка располагается на левой ветви резонансной кривой ненагруженного датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ (Л,= -0,83), а при частоте (,)г генератора 7 - переходит на аналогичную точку на правой ветви резонансной кривой (Л = +0,83). При непрерывном переключении генераторов 6 и 7 рабочая точка контура "переключается" с левой ветви резонансной кривой на правую с частотой Я мультивибратора 19. Коэффициент передачи резонансного контура изменяется от зна" ченияк= ---- (8)11 л (лД) до значения Кщ в 9 1)+(Лл((9) 5При этом модуль коэффициентадачи контураК(л) л (л)ллгде Л = ---- относительная расстройка контура начастоте генератора 6;1 РЛг =--- относительная рас"Р (л)гстройка контура на 15 частоте генератора 7.Напряжения П и Б,1 поочередно поступают на один вход множительной схемы 2014 к второму входу которой поочередно приложены непосредственно напряжения генераторов 6, 7 через схемуИЛИ 10.В один полупериод коммутацииТ25 (О( -) в результате перемножения2пакетов напряжений одной частоты образуется постоянная составляющая напряжения, пропорциональная коэффипиенту передачи контура на частотеЦ, =К К,Ц, сояц,=К К 1,11 соз(агс 8 Ц Л,),(12) где К- масштабный коэффициент множительной схемы 14ТВ другой полупериод коммутации (- ( (2( Т) постоянная составляющая пропорциональна коэффициенту передачи кон-. тура на частотеО, =КК П сояЧ =К,К Б соя(агсСВ ЯЛ ).(13) Постоянные составляющие У, и 01+ поочередно выделяются фильтром 15 низ кой частоты и воздействуют на усилитель 16 низкой частоты.. В отсутствие контролируемого материала 5 коэффициенты передачи колебательного контура и косинусы фазо вых сдвигов, вносимых контуром, рав,ны 4 В 0 ййа ежа К л ею в41+(лД) б+(1,1 55 .ов (агсй 8(, =соз (агсй 8 Л Я), (15) 1 ак как равны абсолютные значениятносительных расстроек на частотах1 м 1 фр 11 т рЛ,1 =--=Л 1= ---. (16)1 у МЫ Ь 3111 р Вследствие этого равны и постоянные составляющие напряжений 11=П,мПри контакте электродов емкостного датчика 2-3 с материалом 5 в зависимости от значения его объемной плотности происходит расстройка резонансного контура 1 18 ов Гьс 1 цс+ьс)(17) Эти приращения д С приводят к сме, щению рабочих точек на правой и левой ветвях резонансной кривой конту ра. Коэффициент передачи контура начастоте ы, увеличится до значения(19) а коэффициент передачи контура начастоте ы уменьшится до значения 9(ды+Аа)Ярность контура с учетомв материале.изменяются и фазовыее расстроенным конту 20) К где Я доброт потерь Соотвесдвиги ственно вносимь где Д С - вносимая контролируемым материалом емкость, пропорциональная объемной плотностиматериала у,При контакте электродов датчика с, контролируемым материалом составляю, щая А , выражения (1) постоянна итогда это выражение относительно приращения емкости Д С от изменения ообъемной плотности р контролируемогоматериала приобретает следующий видЬЪеДС(р): АЕ2 еь+ц(18)Отсюда следует, что при неизменных геометрии датчика, диэлектричес ких свойств окружающей среды (з): и постоянной толщине контролируемогоматериала (Ь) приращение емкости д Спропорционально изменению объемнойплотностиконтролируемого материала,(22) т.е. Фазовые сдвиги ,и ц становятся неодинаковыми.Из-за возникающего неравенства 10 постоянных составляющих напряженийЮ, и Б, усилителем 16 низкой частотыусиливается переменная составляющаячастоты й мультивибратора 19.-К сов Ц ),(23) где К - коэффициент усиления усилителя 16,20Переменное напряжение с амплитудойБ выпрямляется управляемым выпрямителем 17 и фиксируется регистратором 18,Установка нуля регистратора 18производится при отсутствии контактадатчика с контролируемым материаломс помощью подстроечного конденсатора 12,Для поддержания равенства ампли-туд высокочастотных напряжений частоты Ы, и Ы выходное напряжениесхемы ИЛИ 1 О детектируется амплитудным детектором 24, Постоянные составляющие продетектированных напряженийпоочередно выделяются фильтром 25низкой частоты и воздействуют на входусилителя 26 низкой частоты. При неравенстве амплитуд (Б ФБ ) усилитед,40 лем 26 усиливается переменная составляющая частоты Я, пропорциональнаяразности амплитуд высокочастотныхнапряжений частот ы,и ы , и поступает на управляемый выпрямитель 27. Постоянная составляющая напряжения,снимаемого с выхода управляемого выпрямителя 27, пропорциональная разнице амплитуд высокочастотныхнапряжений частот И и ы , поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 9 высокойчастоты. Направлениеизменения коэффициента усиления усилителя 9 выбрано таким, что управляющее воздействие приводит к выравниванию амплитуд высокочастотных напряжений частот ы и Ы.1Неоднородность электрического поля, присущая накладным датчикам вызывает наибольшую чувствительность уст5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 ройства только к свойствам ближайших слоев контролируемого материала, накладываемого на датчик . В силу этого наличие неровностей поверхности контролируемого материала, прилегающего к датчику, дает большую погрешность измерения. Помимо этого, как следует из выражения (1), для дС приращение емкости, привнесенное в датчик контролируемым материалом, зависит не только от плотности у, но и от изменения толщины контролируемого материала.Устранение влияния толщины контролируемого материала и неровностей поверхности, прилегающей к датчику, на показания регистрирующего прибора 18 в устройстве обеспечивается следующим образом. Напряжения высокочастотных генераторов 6, 7, поочередно поступающие на резонансный контур, в который включена емкость сис" темы высокопотенциальный электрод 2 " контролируемый материал 5 - низкопотенциальный электрод 3, одновременно прикладывается к эквипотенциальным. дополнительным электродам 4,(4 через повторитель 13 напряжения. Повторитель 13 напряжения обеспечивает равенство амплитуды и фазы напряжений, прикладываемых к электродам 4, 4 по отношению к амплитуде/и фазе напряжения, прикладываемого к высокопотенциальному электроду 2, Между электродом 3 и электродами 2, 4, 4, имеющими одинаковые напряжения, образуется электрическое поле, состоящее из трех областей А, Б и В (фиг. 2), каждая из которых связана с напряжением на электродах 2, 4, 4 соответственно. Силовые линии на границах этих областей показаны штриховыми линиями. К измерительному электроду 2 ток смещения проходит только через зону Б, и поэтому изменения, происходящие в зонах А и В, не. влияют на результат измерения. Окружа" ющая датчик среда (воздух) входит в зоны А и В, поэтому составляющая емкости, привнесенной контролируемым материалом, связанным с относительной диэлектрической ироницаемостью среды , также практически не влияет на рабочий ток смешения преобразователя, что обеспечивает независимость показаний регистрирующего прибора 18 от изменений Е окружающей среды. Ширина колец электродов 2,4, 4 и расстояние между ними выбираются таким образом, что обеспечи" вается измерение емкости, привнесенной объектом контроля, в зоне В (фиг, 2), Выбор ширины и расположения этой зоны обеспечивают независимость показаний регистрирующего прибора 18 от толщины контролируемого материала и неровностей, прилегающих к преобразователю контролируемых поверхностей.Повышение точности достигнуто за счет поочередного возбуждения резонансного контура колебаннями двух симметричных относительно резонанса частот, соответствующих наиболее крутым участкам обоих склонов резонансной кривой, При этом использование колебаний двух частот позволяет получить стабильный "нуль" при нулевом значении контролируемого параметра, что трудно обеспечить при работе только на одной ветви резонансной кривой расстроенного контура. Использование двух параметров датчика - модуля и аргумента коэффициента передачи резонансного контура также повышает чувствительность и точность измерения объемной плотности объекта за счет более крутой преобразовательной характеристики выходное напряжение - объемная плотность. Введение,дополнительных электродов, эквипотенциальных по отношению.к измерительному, также повышает точность измерения объемной плотности за счет исключения влияния толщины контролируемогоматериала, неровностей прилегающих кпреобразователю контролируемых поверхностей, изменения относительной диэлектрической проницаемости окружающей среды (воздуха). Использованиеэлектронных управляемых ключей позволяет повысить надежность устройстваза счет устранения коммутационныхразрывов, возможности повышения досотен кнлогерц частоты коммутации икак следствие уменьшенияпостояннойвремени и дрейфа низкочастотного тракта устройства,Формула изобретения Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов,содержащее диэлектрическое основание,на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальньп электроды, выполненные в виде коичланар1532859 12 Фиг, Гель В.Немце Состав Техред Корректор Л,Патай О.Спесивых Редак к Тираж 789комитета поМос кв а, Жказ 809НИИПИ Го Подписное обретениям и открыт Раушская наб д, 4 м при ГКНТ ССС ственно 11303;низкой частоты, управляемый выпрямитель и регистрирующий прибор, мультивибратор, причем выход генераторасоединен с колебательным контуром,выход которого соединен с высокопотенциальным электродом датчика, выход множительной схемы соединен споследовательно соединенными фильтром низкой частоты, усилителем низкой частоты, управляющим выпрямителем и регистрирующим прибором,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности, оно снабжено схемой ИЛИ, вторым генераторомвысокой частоты, двумя ключами итриггером, вход которого подключен к 5мультивибратору, а выходы соединеныс управляющими входами ключей, входыкоторых подключены к источнику постоянного напряжения, а выходы - квходам питания высокочастотных генераторов, выходы которых соединены свходами схемы ИЛИ, выход которойсоединен с одним входом множительнойсхемы, второй вход которой подключенк выходу колебательного контура, приэтом вход колебательного контура соединен с выходом схемы ИЛИ.