Устройство для измерения емкости диэлектриков

Союз СоветсиниСоцналнстнчесиниРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ оц 938202(5 )М. Кл. 001 й 27/26 Рмударотваиинй комитет СССР ио делан изобрвтеиий и отирьщй(72) Авторы изобретения кКиевский технологический институт легкой промьццлениости(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ ДИЭЛЕКТРИКОВ1Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, и может быть использовано для измерения диэлектрических характеристик разпичных материе-. ЛОВе5Известно устройство контроля, реапи, зующее способ контроля, основанный на измерении приращений емкости датчика, включенного во времязадающую цепь или в нагрузочный контур автогенератора, и содержащее два автогенератора, емкост. ные датчики ипи ЙС-двухпопюсники, подстроечные конденсаторы (варикапы) у фильтры и индикатор 1 .Недостатком известого устройства 15 является низкая чувствнтельностьу обусловленная отсутствием коррекции погрешности измерения.Наиболее бпизкнм по технической сущности к изобретению является изме рнтепь плотности смесей, содержащий измерительный генератор с измерительным датчиком в резонансном контуре, опорный генератор, смеситепь, попосо 2вой фильтр, усилитель ограничитель, диф ференцирукяцнй элемент, импульсный ограничитель, импульсный генератор, интегратор, схему компенсации температу,ры с температурным датчиком, а также включенный в цепь обратной связи изметательного автогенератора компенсаторизменевйй частоты 2 .Недостатком известного измерителя является низкая достоверность результатов измерений иэ-ва дрейфа частот измерительного и опорного генераторов под влиянием внешних воздействий. Используемая пассивная компенсация изменений частоты малоэффективна, коррекция же частоты путем автоподстройки затрудщтепьна, поскольку дестабилизирующие факторы и полезная информация в равной степени влияют на изменение частоты измерительного генератора.Цель изобретения - повышение достоверности результатов измерений.Поставленная цель достигается тем, что в устройство дпя измерения емкос-.ти диэлектриков, содержащее измеритеп ный генератор, соединенный входом с первыми выводами измеущтельного и опорного датчиков, выходом с первым входом смесителя, соединенного выходом через полосовой фильтр, частотный детектор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соеурнен с входом индикатора, опорный генератор, соединенный выходом с вторым входом смесителя, входом - с выходом интегратора и управляющим выводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства, введены конденсатор, коммутатор, первый и второй прерыватели, высокочастотный усилитель, второй синхронный детектор, делитель частоты и генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми входами первого црерывателя и делителя частоты, соединенного выходом с вторым входом первого синхронного детектора, первым входом коммутатора и первым входом второго прерывателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом - с выходом второго синхронного детектора, соединенного первым входом через высокочастотный усилитепь с выходом частотного детек. тора, вторым входом - с выходом генератора синхросигнала и первым входом первого прерывателя, выход которого соединен через конденсатор с входом опорного генератора, второй вход - с корпусом устройства и вторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствукнцими выводами измерительного и опорного дат щков.На фт представлена блок-схема устроиства: на фиг. 2, О - амплитудпочастотная характеристика частотного детектора, левый склон которй условно выбран рабочим и изображен сплошной линией, и эпюр напряжения, снимаемого с выхода частотного детектора; на юг. 2, Ь - сплошной линией показан характер изменения несущей (разностной) частоты информационного сигнала, а пунктирной - характер изменения . несу 1 цей (разностной) частоты сигнала кор, рекгирующего воздействия, на фиг. 2, дспектр частот генераторов, причем частота измерительного генератора Щ скачкообразно периодически смещается по частотной оои на величину Ьш, зависящую от информативного параметра, и условно изображенную правее положения Ю, илиже - на величину щ, зависящую от д;- стабилизнрующих факторов (смешение на величинуО показано пунктирной линией); на фиг. 2, 7 д, С - эпюры напряжений сигналов на выходе высокочастотного усилителя, второго прерывателя и интегратора соответственно; на фиг. 2, жхарактер изменения частоты Ю измерн 5 1 О 15 тельного генератора в различные периодыработ коммутатора, причем пунктирнойлинией показано смешение этой частотыза счет влияния дестабилизирующих факторов. Индексы, стоящие у осей ординатна всех рисунках фиг, 2, указывают, ккакому блоку устройства относится изображенный график,5 О 55 татора 5 к резонансному контуру измеригельного генератора 1 подключен образцовый датчик 4,После смецивания частот измерительного 1 и опорного 2 генераторов, из напряжения, поступающего с выхода смесителя Ополосовым фильтром 10 выделяется часто 1 но-модулированный сигнал с частотами, равными разности Устройство содержит измерительный1 и опорный 2 генераторы, измерительный 3 и образцовый 4 датчики, коммутатор 5, варикап 6, баластный конденсатор 7, первый прерыватель 8, смеситель 9, полосовой фильтр 10, частотныйдетектор 11, усилитель высокой частоты 12, второй синхронный детектор 13,второй прерыватель 14, интегратор 15,генератор 16 синхросигналов, делитель, 17 частоты, амплитудный детектор 18,низкочастотный усилитель 19, первыйсинхронный детектор 20, индикатор 21,Устройство работает следующим образомеВыходные сигналы с измерительного1 и опорного 2 генераторов поступаютна смеситель 9. В результате периодического подключения с помощью первогоавтоматического прерывателя 8 баластного конденсатора 7 к времязадаюшейцепи опорного генератора 2, частота1последнего принимает значения либо Ф,40либо Ю скачкообразно. При этом частоту манипуляции ИЯ. задает генератор 16.Частота Ю измерительного 1 и частотыЧ), м) опорного 2 генератора и величина баластного конденсатора 7 выбираются таким образом, чтобы соблюдалосьссотношение Фр с Ю с и,Б режиме коррекции частоты генератора 2, контакты второго прерывателя14 замкнуты, а через контакты комму38202 6В качестве выходного элемента частотного детектора 11 может быть использован обычный амплитудный детектор.В этом случае из амплитудно-частотно 5 модулированного сигнала выделитСя огибаюптвя в виде напряжения прямоугольной формы частоты О Й., вмплтггуда которого пропорциональна разности частотМlо -юо/ . Это напряжение поступаетна избирательный высокочастотный усилитеть 12, настроенный на частоту ОЙ.В результате этого на вход второгосинхронного детектора 13 поступит синусоидвльное напряжение частоты И Й,пропорциональное разности частот(вц - юо . С учегом того, что второйавтоматический прерыватель 14 замкнут(и находится в статическом положении),на вход аналогового интегратора 15(Фильтра нижних частот с постоянной2 й,времениМ ) поступит синусоидвльное напряжение в виде выпрямленныхпопувопн. После усреднения выходного5 напряжения детектора 13 в интеграторе5 постоянное напряжение, пропорциональное коэффнциенту асимметрии К,подается в качестве корректирующеговоздействия на вариквп 6. Причем емкость вариквпа будет изменяться пропорционально разности частотО,-цо / .При соответствующем выборе фазовыхсоотношений между входом и выходомзамктгутой пепи, состоящей из блоков2, 9 - 15, 6 и 7, т,е. между управляютпим воздействием по цепи обратнойсвязи, в качестве которого используетсявыходное напряжение интегратора 15,и входным сигналом, пропорциональнымразносттт частогво иуочастота опорного генератора 2 перестраивается засчет изменения емкости варикапа дотех пор, пока не будет выполнено условие (йо = Юо = и/о . Таким образом, режим коррекции измерителя состоит ввыполнении условия К = 1 (в определенный такт работы коммутатора 5 и второго автоматического прерывателя 14). мерительного автогенератора асимметрич- О но относительно частот Ж 2 и Ф опорного автогенераторв ввиду сложности подбора величины бвластного конденсатора. Поэтому существует коэффициент асимметрии К, равный отношенито разностных2 частот (Ю"(юо и характеризующий взаимное расположение частот автогенераторов на частотной оси. Например, если К = 1, то Юо = юо и на частотной оси положение частоты Ю измерительного автогенератора 1 будет симметрично относительно частот Щ и Ю опорного автогенератора 2.Для устранения паразитной амплитудной модуляции в составе полосового З 5 фильтра 10 имеегся элемент амплитудного ограничения снхнала (на фнг. 1 не показано). Частотно-модугтироввнный сигнал с выхода полосового фильтра 10 поступает на частотный детектор 11, о входным элементом которого является узкополосный усилитель, одна из ветвей резонансной характеристики которого захватывает частоты йо и во . Тогда, прн наличии неравенства ОО"Воо, на- ф 5 пряжение разностной частоты будет скачкообразно перемещаться по склону резонансной характернстики дегектора 1 1 (фиг, 2, а ) с частотой коммутации И й, что приведет к появлению амппитудночастотно-модулированного напряжения. При этом частота модуляции равна И 9., а глубина модуляции пропорциональна коэффициенту асимметрии К.При К 1 во =юо=Юо, (где Юо= 55цт-оА- среднее значение рвзност1.ной частоты) и амплитудная модуляция сигнала исчезнет. 50 частот ввтогенераторов в соответствующий период коммугвции бвластного конденсатора:И 1 1ощифв -щ 1-сед где В - частота измежтельного гене- ратора 1;м - частота опорного генератора2 без бвластного конденсатора 7В - частота опорного автогенерарв с бвластным конденсатором 7;Фр,Ер - разностные частоты, входящиев полосу частот, выделяемуюполосовым Фильтром 10 изспектра сигнала смесителя 9.Причем всегда выполняется соотношение (жоФо, т.е. нв частотной оси (фиг. 2, д ) положение частоты Ю изУказанный режим подстройки частоты принципиально отличен от классической системы АПЧ, где подстройка частоты осуществляется относительно заданной опорной частоты.После окончания режима коррекции второй прерцватель 14 разомкнут, а к резонансному контуру измерительного генератора 1 с помоптьто автоматического коммутатора 5 подключен измеритель9 9382автоматического прерывателя 14 поступят пачки выпрямленных полуволн(фиг. 2, д ), амплитуда которых пропорциональна величине смешения АФ частотыЫ 3 юмернтельного автогенератора 1,После усреднения в интеграторе 15 постоянное напряжение (фиг. 2, 8 ), пульсация котороро может быть уменьшеназа счет увеличения постоянной времениинтегратора 2;, поступает в цепь управнения частотой опорного генератора2, и его частоты аи (Эперемещаютсяпо частотной оси до тех пор, пока невыполнится условие коррекции К = 1(с точностью до ошибки некомпенсацин 15предложенной замкнутой динамическойсистемы). При этом величина Ыйобратится в нуль. Измеряемая же величинаАЮ не будет скомпенснрована, поскольку в момент прохождения информационного сигнала с частотой Я. (прн подипочении измерительного датчика 3 с контролируемым объектом в резонансный контур измерительного автогенератора 1),пропорционального девиации частоты СГ 25измерительного генератора 1, второйпрерыватель 14, и, следовательно, цепькоррекции измерителя разомкнута,ак видно нз фиг, 2 Ц н 4, а также из соотношения для девиации частоты д и условия коррекции (которое поддерживается автоматически), амплитуда сигнала не зависит от абсолютного значения средней разностной частоты що в31 пределах линейности рабочего склона резонансной характернсщки входного звена частотного детектора 11, измеряемый параметр, пропорциональный ве личине д не зависит от абсолютных значений частот генераторов и, следовательно, от медленных дрейфов этих частот, поскольку частота коммутации Я. подбирается таким образом, чтобы за период коммутации (2 В 9. величина45 дрейфа практически не менялась. Кроме того, использование идентичных датчиков, выполненных на одной подложке по дифференциальной схеме, позволяет уменьшить погредность измерения, связанную с нестабильностью измернтельно 0 го датчика 3. Это возможно в том случае, когда внешние факторы (температура, влажность и т.д.) в одинаковой мере влияют на емкости измерительного 3 и образцового 4 датчиков. Чтобы устранить погрешность, вызванную неравенством значений емкостей датчиков 3 и 4 (в начальный момент), необходимо в 02 10отсутствие объекта измерещя щмщэвеоти установку устройства в нуль (по индикатору 21). Для этого, с помощью подстроечного элемента (не показан), изменяют емкость измерительного датчика 3. При этом:исчезают частотная девиация д 2 ьЮ (фиг. 2,д ), и изм рнтель готов к работе.Режим измерения осуществляется после ручной установки нуля и не отщ- чается от описанного выше.Случайные медленные дрейфы частот генераторов 1 и 2, независимо от изменений абсолютных значений частот Ф, Ю и (6, автоматически исщпочаются1при выполнении условия коррекции К г1. Однако при выборе постоянной времени интегратора 15 (усредняющего звена должно быть соблюдено соотношение где Г - некоторая постоянная временигенераторов 1 и 2, в течениекоторой частоты генераторовстабильньцС - постоянная времени усредняющего звена (интегратора) 3Я - частота коммутации на которую наносится информационныйсигнал.Таким образом, предлагаемая в йэмернтеле коррекция ухода частоты генераторов 1 н 2 с использованием различныхчастот Я и иЯ коммутации по трактамизмерения и подстройки позволяет осуществлять автоматическую селекцию информативного и корректирующего воздействия, что дает возможность повыситьточность измерения малых п 1 жращений, связанных с изменением его диэлектрических характеристик.Достоинством измерителя являетсямерений в два раза по славлению с известными автогенераторными измерителями, основанными на измерении приращений частоты, поскольку в предлагаемом устройстве измеряемое приращениеравно О = 2 Ю,формула изобретения Устройство для измерения емкости диэлектуаков, содержащее измерительный генератор, соединенный. входом с первыми выводами измерительного иопорного датчиков, выходом - с первымвходом смеситеы, соединенного выходом через полосовой фильтр, частотныйдетектор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входомпервого синхронного детектора, выходкоторого соединен с входом индикатора,опорный генератор, соединенный выходомс вторым входом смесителя, входом - свыходом интегратора и управляющимвыводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения достоверности результатов измерения, в устройство введеныконденсатор, коммутатор, первый и второй прерыватели, высокочастотный усигпггель, второй синхронный детектор,делитель частоты н генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми 20входами первого прерывателя и делителячастоты соединенного выходом с вторымвходом первого синхронного детектора,первым входом коммутатора и первымвходом второго прерывателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом - с выходом второго синхронного детектора, соединенного п ервымвходом через высокочастотный усилительс выходом частотного детектора, вторымвходом с выходом генератора синхросигнала и первым входом первого прерывателя, выход которого соединен черезконденсатор с входом опорного генератора,второй вход - с корпусом устройства ивторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствующими выводами измерительного и опорного датчиЕовю Источники информации,принятые во внимание прн экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР429326, кл. 601 Й 27/22, 1974. 2. Патент США4048844,кл. 324-71, 1977 (прототип).Псюко Редаг 9 Тираж 717 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета СССРпо дедам изобретений н открытий13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/ щи. ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4