Измеритель параметров диэлектриков

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 09) Ш) А эа б 01 й 27/26 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ Е Руч тити ч дине нератеме ГОСУААРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56) 1. Патент. СЯА У 4045728,кл.01 Р 27/26, 324-59, 1971.2, Авторское свидетельство СССУ 949424, кл. б 0127/26, 1982(54)(51) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИКОВ; содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, 4 С -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненный в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, вьмод которого соединен с управляющим входом синхронного детектора, и отсчет- но-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивности, а средний вывод катушки.индуктивносерез активное сопротивление соен с выходом высокочастотного гетора, отличающийсячто, с целью повышения точности измерений малых приращений емкости, в него введены второй .С .-контур, образованный второй катушкой индуктивности и измерительным .датчиком, второе активное сопротивление, через которое средний вывод катушки введенного контура соединен -с вьмодом. генератора, второй амплитудный детек" тор, частотный модулятор, вьмод которого соединен. с модулирующим вхо. дом высокочастотного генератора,.а вход - с выходом коммутационного генератора, последовательно соединенные регулятор частоты и генератор, импульсов, два вентиля, входы кото- . ,рых соединены с выходом усилителя 1постоянного тока и с входом регуля.тора частоты, два ключевьм блока, управляющий вход каждого из которьм соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальные входы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которогосоединен с выходом одного из ключевых блоков, управляемая образцовая ем- . кость, подключенная во второй ьС контур параллельно его катушке индук" тивности.и измерительному датчику, и реверсивный счетчик импульсов, выход которого. соединен е входом отсчетно-регистрирующего блока, а каждый из разноименныхвходов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входам реверсивного шагового двигателявьмод которого связан с .регулирующим входом управйяемой образцовой ем кости, причем. один из детекторов и один из вентилей включены в прямом,а другие - соответственно в обратномнаправлениях, при этом входы детекторов соединены с. выводами датчика,1128196а выходы - с входом Фильтра нижних частот, Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля непроводящих сред, например полимерньи композиций на основе диэлектриков, и может быть использовано как для исследования композитных материалов, изменение Физико-механических свойств которых влияет на их диэлектрические характеристики, так и для контроля кинетики физико-химических процессов 10 структурообразования или твердения в производстве ряда материалов и изделий, диэлектрические свойства которьи зависят от технологических параметров. 15Известно устройство для контроля параметров реактивных элементов, индуктивностей или емкостей, основанное на измерении величины откло. нения (приращения) реактивной сос тавляющей комплексного сопротивления контролируемого элемента от образцового значения, и содержащее два автогенератора, переключатель, вьиод которого подключен к времяза дающей цепи первого автогенератора, измерительный и образцовый реактивные элементы (емкости или индуктивности), общий вывод которых соединей с корпусом устройства, а два З 0 других подключены соответственно к входам. переключателя, а также низ;кочастотный генератор, вьиод .которого соединен с управляющим входом переключателя, частотный преобразователь, входы которого подключены к выходам автогенераторов, и,индикатор 1 .Недостатком данного устройства являЕтся невысокая точность измере ния из-за погрешности, обусловленной асимметрией -каналов переключателя; вызванной конструктивной неидентичнос тью его проходных (паразитньи) емкостей, нестабильностью (температур :ной или,временной) .реактивных параметров сравниваемьи элементов и коммутационными помехами, возникающими: при переключении сравниваемых элемен", , тов,и изменяющими спектр зондирующего сигнала, что приводит к дрейфу "нуля" устройства, Кроме того, наличие электромеханического коммутатора (переключателя) ограничивает быст родействие и снижает надежность устройства.Наиболее близким к изобретению техническим решением является устрой, ство для контроля технологических параметров непроводящих материалов, основанное на сравнении амплитуд двух сигналов, снимаемых с колебательного контура в разные такты коммутации.образцовой и измерительной емкостей дифференциального датчика, и содержащее высокочастотный генератор, емкость связи, 1 С -контур, пос" ледовательно соединенные варикап и конденсатор, дифференциальный емкостной датчик, два переключателя, разноименные входы которых соединены между собой и подключены к высоко- потенциальным электродам датчика, последовательно соединенные детектор, узкополосный фильтр низкой частоты, избирательный усилитель низкой частоты, синхронный детектор и отсчет- но-регистрирующее устройство, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющими входами переключателей и синхронного детектора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора,: источник опорного напряжения и дефференциальный усилитель постоянного тока, один из входов которого соедийен с вьиодом фильтра нижних частот, другой вход подключен к выходу источника опорного напряжения, а вьиол соединен с первыми вьиодами варикапа и конденсатора, причем второй вывод конденсатора соединен с входом амплитудного детектора, с выходом первого переключателя и .с одним иэ выводов,ЬС -контура, второй вывод которого соединен с вторым выводомварикапа, с выходом второго переключателя, с низкопотенциальными электродами датчиков,и с корпусом устройства, а средний вывод индук.тивности 4 С -контура соединен через емкость связи" с выходом высокочастотного генератора 2.Недостатком известного устройства является низкая точность измерения малых приращений контролируемого параметра.Цель изобретения - повышение точ,ности измерения малых приращений емкости. 0 Поставленная цель достигается тем, что в измеритель параметров диэлектриков, содержащий высокочастотный генератор, активное сопротивление, С -контур, в котором параллельно соединены катушка индуктивности и выполненный в виде дифференциального конденсатора измерительный датчик, детектор и последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель постоянного тока, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, а также коммутационный генератор, выход которого соединен с управляющим вхо- З 0 дом синхронного детектора, и отсчет- но-регистрирующий блок, причем общий вывод измерительного датчика соединен. с корпусом устройства и с вторым выводом катушки индуктивнос ти, а средний вывод катушки индуктивности через активное сопротивление соединен е выходбм высокочастотного генератора, введены второй 1 С -кон-. тур, образованный второй катушкой 40 индуктивности и измерительным датчиком, второе активное сопротивле-, ние, через которое. средний вывод катушки введенного контура соединен с выходом генератора, второй ампли тудный детектор,.частотный модулятор, выход которого соединен с модулирующимвходом высокочастотногогенератора, а вход - с выходом ком" мутационного генератора, последова тельно соединенные регулятор частоты и генератор импульсов, два венти ля, входы которых соединены с выхо.дом усилителя постоянного тока и с входом регулятора частоты, два клю чевых блока, управляющий вход каждого из которых соединен с выходом одного из вентилей, а сигнальныевходы подключены к выходу генератора импульсов, реверсивный шаговый двигатель, каждый из разноименных входов которого соединен с выходом одного из ключевых блоков управляемая образцовая емкость, подключенная во второй 4 С -контур параллельно его катушке индуктивности и измерительному датчику, и реверсив-; ный счетчик импульсов, выход которого соединен с входом.отсчетно-регист рируюнего блока, а каждый из разноименных входов подключен к выходу одного из ключевых блоков параллельно одноименным входам реверсивного шагового двигателя выход которого связан с. регулирующим входом управляемой образцовой емкости, причем .один из детекторов и один из вентилей включены в прямом, а. другие - соответственно в обратном направлениях, при этом входы детекторов соединены с выводами. датчика, а выходы - с входом фильтра нижних частот,На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого измерителя;, на фиг2 - амплитудно-частотные харак-, теристики первого (пунктирной линией) и второго (сплошная линия) 4 С -контуров,в исходном состоянии, т.е.после установки "нуля" (фиг. 2 а) и при внесении объекта измерения в поле измерительного датчика первого .1,С-контура.в случае равенства (фиг. 2 б) и различия (фиг 2 в) крутизны характеристик обоих конту" ров, .на фиг. 3 - эпюры напряжений на выходе. высокочастотного генерато" ра (а), на выходе первого (б) и вто" рого (в) выпрямителей на входе фильтра нижних частот (пунктирная линия) и на входе усилителя постоян-: ного тока (сплошная линия, фиг.3 г), на выходе усилителя низкой частоты (д) и на выходе синхронного детектора (е), кроме того, на фиг. 3 г штрих-пунктирной линией показан уровень постоянной составляющей выходного напряжения. усилителя постоянного тока, а на фиг. 3 е пунктиром обозначен уровень напряжения на выходеусредняющего звена синхронного детектора, причем индексы у осей ординат на фиг. 3 указывают,к како му блоку измерителя относится изображенный график.Устройство содержит высокочастотный генератор 1. с кварцевой стабищи;блоки 24 и 25, реверсивный шаговыйдвигатель 26, реверсивный счетчик27 импульсов и отсчетно-регистрирующий блок 28. При этом выход генератора 1 через :активные сопротивления 3 и.4,соеди,нен со средними выводами катушек 25 7 и 10 индуктивности контуров 5 и 13 соответственно; Одни из крайних выводов катушек 7 и 10 индуктивности соединены с общим выводом измеритель,ного датчика и корпусом устройства, а вторые - с выводами секций 8 и 12 :,измерительного датчика и входами де текторов 14 и 15, выход которых .через фильтр нижних частот 17 и УПТ 18 соединен с входами регулятора 20 частоты и вентилей 21 и 22, Вь 1 ход регулятора частоты соединен с управляющим входом генератора 23 импульсов, выход которого соединен с одним из входов блоков 24 и 25,40 вторые входы которых соединены с выходами вентилей. Выходы блоков 24 и 25 соединены с входами реверсивного двигателя и счетчика 27, выход которого соединен с входом отсчетно-45 регистрирующего блока. Реверсивный двигатель управляетуправляемойобразцовой емкостью 11, включенной в контур 13, параллельно секции 12 . измерительного датчика. Выход УПТ 18,соединен также с входом усилителя 19 низкой частоты, выход которого соединен с сигнальным входом синхронного детектора 16, управляющий вход которого соединен с выходом коммутационного генератора 6, а выход - с выходами амплитудных детекторов. , Выход генератора через модулятор 2 сое" динен с.управляющим входом генератора 1 Измеритель работает следующим образом.С выхода высокочастотного генератора 1 через активные сопротивле ния 3 и 4 напряжение частоты Ы, подается соответственно на два ЬС контура 5 и 13 (фиг, 1), расстроенные относительно частоты высокочастотного генератора так, что их рабочие точки в исходном состоянии (без объекта 9, измерения) находятся на правом склоне резонансных характеристик, где имеются относительно большие линейные участки. Причем ра", бочее напряжение (т,е. рабочая точка) каждого из контуров соответствует приблизительно 0,7 своего резонансного значения, кроме того, собственные параметры элементов второгоьС в .контура 13 - индуктивность катушки 10 и секция 12 измерительного датчика - эквивалентны собственным параметрам однотипных элементов (индуктивности катушки 7 и секции 8 измерительного датчика без объекта измерения) первого,С -контура 5, который конструктивно идентичен с вторым и в исходном состоянии в отсутствие внешних воздействий настроен так, что собственные резонансные частоты обоих контуров И к и Иравны некоторому значению, которое в соответствии с положением рабочих точек лежит ниже значения час-: тоты высокочастотного генератора (фиг, 2 .а).Поскольку оба 1,С -контура нагружены на встречно включенные детекторы 14 и 15, то напряжение, поступающее в исходном состоянии на фильтр 17 нижних частот и являющееся суммой полуволн синусоидальных сигналов, снимаемых через детекторы с обоих контуров, равно нулю, При внесении объекта 9 измерения в поле секции 8 измерительного датчика происходит увеличение ее емкости, т.е, снижение резонансной частоты 91 первого ьС контура 5, что приводит к перемещению его рабочей точкй (точка А на фиг. 2 б) вниз по склону резонансной характеристики, в результате чего напряжение, поступающее на первый детектор 14, уменьшается и на фильтре нижних частот появляется постоянная составляющая, величина и знак которой зависит от изменения емкости секции 8 измерительного датчика.1128196 10 55 7После масштабирования в усилителе;18 постоянного тока это напряжение поступает через вентиль 22 или в за-: висимости от знака постоянной составляющей.через вентиль 21 на управляю" 5 щий вход ключевого .блока 25 (или , 24), открывая его. Через .открытый ключевой блок 25 на параллельно включенные рЕверсивный шаговый двигатель 26 и реверсивный счетчик 27 импульсов с генератора 23 импульсов будут поступать импульсы, по которым реверсивный шаговый двигатель будет изменять значение управляемой образцовой емкости 11 до тех пор, , 15 пока не совместятся рабочие точки обоих 4 С -контуров, т,е. пока не выравняются их коэффициенты передачи, при этом напряжение на выходе усилителя 18 постоянного тока, пропор циональное разности потенциалов 418 между точками А и Б (фиг, 2 б), будет стремиться к нулю, а соответст-вующий ключевой блок 25 (или 24) прекратит подачу импульсов на входы 25 реверсивного шагового двигателя и . реверсивного счетчика импульсов. Так как число импульсов, поступающих на двигатель 26 и счетчик 27,пропорционально приращению управляемой. щ образцовой емкости 11, необходимому для компенсации влияния измеряемой величины, то показания отсчетно-регистрирующего блока 28 будут пропорциональны приращению емкости измерительного датчика, определяемому . значением диэлектрической проницаемости объекта 9 измерения, внесенного в поле секции 8 датчика. Разность потенциалов между рабочими точками обоих ,С -контуров, возникающая при внесении объекта измерения в поле одной из секций иэ. мерительного датчика, может измениться вследствие изменения парамет. ров элементов .1 С -контуров (температурный дрейф) и появления, разностй между крутизнами их резонансных характеристик, кроме того, из-за случайных дрейфов могут изменяться 50 и коэффициенты преобразования детекторов, что в конечном итоге приводит к погрешности измерения. Для уменьшения этой погрешности в измеритель введен частотный модулятор 2, который изменяет частоту выходного напряжения высокочастотного. генератора 1 по гармоническому закону, задаваемому синусоидальным напряжением коммутационного генератора 6, подаваемым на вход частотного модулятора.В результате частотной модуляции, зондирующего сигнала (фиг. З.а) высокочастотного генератора 1 происходит перемещение рабочих точек ЙС контуров по склонам их резонансных характеристик (фиг. 2 в) и на выходе детекторов 14 и 15 появляются ампли-. тудно,частотно-модулированные сигна". лы из полуволн синусоиды соответствующего знака (фиг. 3 б, в), причем амплитуда огибающей каждого из этих сигналов пропорциональна коэффициенту передачи .соответствующих цепей и девиации 3 И частоты высокочастот ного генеоатора. При различной.крутизне рабочих склонов резонансных характеристик 10 -контуров 5 и 13 на входе усилителя постоянного тока 18 появится амплитудно-модулирован.ное напряжение, частота которого определяется частотой коммутационного генератора 6, а амплитуда огибающей этого напряжения пропорциональна разности коэффициентов передачи М, - 16 ы соответствующих цепей. Усилитель 19 низкой частоты, настроенный на частоту коммутационного гене-,1 ратора, выделяет первую гармонику час тоты огибающей (фиг. 3 д),. которая после синхронного детектирования (фиг. 3 е) подается с выхода синхрон-, ного детекгора 16 в общую точку детей торов 14 и 15,.противофазно изменяяих проводимости (коэффициенты преобразования) и регулируя, таким образом, добротности С. -контуров 5 и 13 и коэффициенты передачи указан ных цепей. При соответствующем выборе фазовых соотношений по цепи коррекции, состоящей из фильтра 17усилителей 18-19, детектора 16, в общей точке детекторов 14 и 15 будет устанавливаться потенциал, компенсирующий неидентичность крутизны резонансных характеристик 4 С -контуров.1Внесение объекта 9 измерения поле секции 8 измерительного датчика приводит к расстройке первого,1(-кон; тура 5 и при равенстве добротностей обоих кочтуров 5 и 13 - к смещению . резонансной .характеристики соответствующего контура параллельно самойсебе без,изменения крутизны. ее склона. Поэтому на входе усилителя 18 постоянного тока изменяется лишь пос.тоянная составляющая (штрих-пунктирная линия на фиг. 3 г), являющаяся результатом суммирования выпрямленнмх полуволн гармрнического. напряжения противоположных знаков (фиг.З б и в). Далее это напряжение преобразуется .в цифровую форму по описанному алгоритму.Управляемая образцовая емкость ,11 выполнена так, что ее величина при воздействии на реверсивный шаго- вый двигатель 26 последовательности импульсов изменяется по линейному закону ступенями фиксированного значения. Регулятор .20 частоты позволяет повысить быстродействие измерителя, не ухудшая переходных процессов.при .перестройке. второго.12 С контура 13, Поскольку при большом уровне поСтоянной составляющей напряжения на выходе усилителя 18 постоянного тока регулятор частоты независимо от знака этого напряжения повышает частоту импульсов генератора 23 и, тем свмьее, увеличивает 1 скорость отработки,р версивногошагового двигателя и перестройкивторого С -контура управляемой об 1 разцовой емкостью 11, а по мере ре гулировки этой емкости амплитудапостоянной составляющей на выходееусилителя 18 падает и соответственнопод воздействием регулятора частотыуменьшается частота генератора им пульсов, что исключает возможностьперерегулирования,при подходе измерителя к состоянию равновесия. Таким образом, введение частотной.15 модуляции несущей частоты.напряжения высокочастотного генератора, питающего 1.С -контуры, позволило осуществить коррекцию добротности двухканальной части аналогового трак та в процессе измерения и дало возмож.ность исключить наиболее нестабильные с точки эредия динамической погреш ности звенья, каковыми являютсяэлектромеханические коммутаторы, 25 надежность которых также невысока,1128196 ему Составитель В.СтуканТехред С,Легеза Корректор В.Синицкая Редактор С.Патр каз 9024/34 И по д113035,1 "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная ь3 е Тираж Государствен лам изобрете осква, Ж, 710огоий иРауш Подписноитета СССРкрытийя наб., д. 4/5