Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 119) 1111 5114 601 К 272 юг .( (:4:;1 1 Яь( ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ детекторь22, 1 з,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано присоздании чувствительных емкостныхдатчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений,измерителей параметров конденсаторов. Цель изобретения - повьппение чувствительности измерителя диэлехтрических параметров материалов, Для досгижения этой цели в устройство до-,полнительно введены амплитудный модулятор 11 и блок 9 импульсных команд, Устройство также содержит измерительный мост 1, два плеча которого образованы элементами 2 и 3,третье плечо - элементами 4 и 5, Вчетвертое плечо включается либо измерительный конденсатор 6, либо эталогный конденсатор 7, В устройствеимеются коммутатор 8,. генератор 10высокой частоты, усилитель 12 высокой частоть, джазовые детекторы 13 и14, фазовращатели 15 и 16,усилители17 и 18 низкой частоты, синхронные19 и 20, регистратор 21 ии, ф-лы, 5 ил,1 л 022Изобретение относится к измерениюдиэлектрических параметров материалов и может быть использовано присоздании чувствительных емкостныхдатчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений,измерителей параметров конденсаторов.Цель изобретения - повышение чувствительности измерителя диэлектрических параметров материалов.На фиг, 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры, попоясняющие последовательность вовре. 15времени процессов, происходящих вустройстве; на фиг. 3 - эпюры, поясняющие устранение помех, возникающихв процессе работы коммутатора; нафиг, 4 - блок-схема блока импульсныхкоманд; на фиг. 5 - эпюры, поясняю"щие работу блока импульсных команд.Основным узлом устройства является измерительный мост 1. Два плеча1 25этого моста образованы элементами 2и 3, имеющими одинаковые комплексныесопротивления, В качестве таких элементов могут быть использованы, например, два одинаковых конденсатораили две одинаковые катушки индуктив- ЗОности, Третье плечо моста состоит изпеременного резистора 4 и переменно-:го конденсатора 5. В четвертое плечомоста с помощью коммутатора подключается либо измерительный конденсатор 6, либо эталонный конденсатор 7Помимо измерительного моста 1 устрой"ство содержит коммутатор 8, блок 9импульсных команд, генератор 10 высокой частоты, амплитудный модулятор , 4011, усилитель 12 высокой частоты, фазовые детекторы 13 и 14, фазовращатели 15 и 16, усилители 17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19и 20 и регистраторы 21 и 22,45Устройство работает следующим образом.В одно и то же плечо моста 1 с помощью коммутатора 8 поочередно и на равные промежутки времени подключаются либо измерительный конденсатор 6, либо эталонный конденсатор 7. Коммутатор 8 управляется импульсами напряжения, поступающими от блока 9 импульсных команд, Форма импульсов напряжения, управляющих работой коммутатора, показана на эпюре 1 (фиг,2), Каждая эпюра (фиг. 2 и 5) показы 13ет зависимость напряжения,от времени, Эти импульсы имеют прямоугольную форму и скважность, равную двум. Во время действия управляющего импульса коммутатор подключает к мосту измеритегьный конденсатор, во время паузы между импульсами коммутатор подключает к измерительному мосту эталонный конденсатор, Высокочастотное напряжение, питающее измерительный мост, поступает от генератора 10 высокой частоты через амплитудный модулятор 11. Последний управляется импульсами,поступающими от блока 9 импульсных команд, и осуществляет стопроцентную амплитудную модуляцию.Форма импульсов, управляющих модулятором, показана на эпюре 11 (фиг. 2). Частота следования импульсов, управляющих модулятором, вдвое выше частоты импульсов, управляющих работой коммутатора. Относительное . положение во времени импульсов, управляющих коммутатором и модулятором,таково, что процесс переключения из-мерительного и эталонного конденсаторов совершается во время паузы между импульсами, управляющими модулятором, т.е, в те интервалы времени, когда высокочастотное напряжение на измерительный мост не подаетсяПпительность этой паузы выбирается достаточной для того, чтобы процесс переключения коммутатора полностью за,1вершился за время паузы. Таким образом, благодаря использованию амплитудного модулятора и согласованию работы амплитудного мо. дулятора и коммутатора, высокочас тотное напряжение подается на изме" рительный мост только в те интервалы времени, когда никаких переключе; ний в схеме моста не происходит, Когда происходит переключение изме" рительного и эталонного конденсаторов, высокочастотное напряжение кизмерительному мосту не подается.Это позволяет избавиться от мощного импульса помех, возникающего в известных устройствах в процессе пере ключения коммутатора.Эпюры (фиг. 3) показывают зависи мость амплитуды колебаний от време" ни. На эпюрах 1 и 11 (фиг. 3) пока. заны соответственно графики изменения во времени амплитуды высокочастотного напряжения, питающего мост,и напряжения на выходе моста в из 3 13вестных устройствах, не использующихамплитудный модулятор, В отсутствиемодулятора высокочастотное щпряжение, питающее измерительный мост,подводится к нему непрерывно, Поэтому на эпюре 1 (фиг. 3) график зависимости от времени амплитуды напряжения, питающего мост, представляетсобой прямую линию,Как отмечалось, время переключения коммутатора имеет конечную величину, В течение этого времени взависимости от конструкции коммутатора к измерительному мосту либо неподключен ни измерительный, ни эталонный конденсаторы, либо подключены оба, В обоих случаях во время переключения происходит сильное нарушение баланса моста, из-за чего амплитуда напряжения на выходе мостарезко увеличивается. При этом формируется мощный импульс помех, Эти импульсы помех обозначены на эпюре 11(фиг. 3) буквами а , Импульсы помехвызывают кратновременную перегрузкуизмерительного тракта и интенсивныепереходные процессы как в измеритель.ном мосту, так и в узлах устройства,следующих за измерительным мостом,Переходные процессы обозначены наэпюре 11 (фиг, 3) буквами о , Толькопо окончании переходных процессовамплитуда колебаний на выходе мостапринимает значение, соответствующеепараметрам конденсатора, подключенного к мосту, Поскольку импульсы помех имеют большую величину, то переходные процессы, следующие за импульсами помех, имеют высокую интенсивгность и значительную продолжительность Иное положение при использовании модулятора. На эпюрах 111 и 17 (фиг, 3) показаны соответственно гра фики изменения во времени амплитуды. высокочастотного напряжения, питающего мост, и напряжения на выходе моста при использовании амплитудного модулятора, Зависимость от времени амплитуды напряжения, питающего измерительный мост, при использовании модулятора имеет такой же вид, как и импульсы, управляющие работой модулятора, показанные на эпюре 11 (фиг, 2), При использовании модулятора высокочастотное напряжение отключается от измерительного моста в течение всего времени переключения02213 4 коммутатора, Поэтому кратковременныйхотя и сильный разбаланс моста во время переклЮчения коммутатора не может вызвать появления напряжения на выходе моста, Вследствие этого мощный импульс помех, который без модулятора формируется во время переключения коммутатора, теперь отсутствует, а напяжение на выходе моста 10 во время переключения коммутатораравно нулю Уменьшение выходного напряжения измерительного моста до нуля перед переключением коммутатора, и увеличение выходного напряжения измерительного моста до стационарного значения после переключения коммутатора сопровождаются переходными процессами, обозначенными на эпюре 17 (фиг,3) модулятора существенно меньше интенсивности переходных процессов вотсутствие модулятора, обозначенных З 5 буквами 5 на эпюре 11 (фиг, 3),Снижение интенсивности переходных процессов при использовании модулятора обусловлено тем, что в этом случае пределы изменения амплитуды колеба 30 ний на выходе моста во время переходног о процесса оказываются намногоменьше, чем пределы изменения амплитуды во время переключения коммутато.ра без использования модулятора. Это объясняется тем, что при использовании модулятора амплитуда колебанийна выходе моста во время переходного процесса увеличивается от нуля достационарного значения, соответству 35 40 ющего разбалансу моста при условии,что к нему подключен какой-либо одинконденсатор: либо эталонный, либо измерительный, В обоих случаях при проведении измерений мост приблизитель 45 но сбалансирован и амплитуда напряжения на выходе моста оказывается намного меньше, чем при переключениикоммутатора в отсутствие модулятора,когда разбаланс моста имеет очень 50 большую величину, так как к нему либо не подключен ни измерительный, ниэталонный конденсаторы, либо подключены одновременно оба конденсатора . Из-за меньшей интенсивности переходных процессов при использовании модулятора должно быть меньше и время затухания переходного процесса до пренебрежимо малого уровня,ЗО буквами 5 , Однако интенсивность переходных процессов при использованииТаким образом, использование модулятора дает два преимущества: вопервых, устраняется мощный импульспомех, обусловленный кратковременным, но сильным разбалансом моставо время переключения коммутатора,и, во-вторых, сокращается интервалвремени, в течение которого переходные процессы, сопровождающие нарас тание и спад амплитуды колебаний навыходе моста, имеют существенную интенсивность, Последнее обстоятельство облегчает устранение помех от переходных процессов, Эти помехи устраняются при синхронном детектировании,Напряжение с выхода измерительного моста поступает на усилитель 12высокой частоты, а затем подаетсяна два фазовых детектора 13 и 14,Опорное напряжение на управляющиевходы фазовых детекторов подаетсяот генератора 10 через фазовращатели 15 и 16, Сдвиги фаз, вносимые фазовращателями 15 и 16, подбираютсятаким образом, чтобы напряжение навыходе одного фазового детектора,например 13, было пропорциональноразности реактивных сопротивленийэталонного и измерительного конденсаторов, а выходное напряжение второго фазового детектора 14 пропорционально разности активных сопротивлений. го 25 35Выходные напряжения фазовых детекторов усиливаются усилителями 17 и 18 низкой частоты, и поступают на синхронные детекторы 19 и 20, При синхронном детектировании устраня ются помехи от переходных процессов, сопровождаюших нарастание и спад амплитуды колебаний на выходе измерительного моста. С этой целью блок импульсных команд вырабатывает специальные импульсы напряжения, управляющие работой ключей синхронных детекторов, Форма этих импульсов показана на эпюрах 111 и 1 Ч (фиг, 2), Эти импульсы следуют с частотой ком О мутации измерительного и эталонного конденсаторов, Импульсы, управляющие синхронным детектором, начинаются позже импульсов, управляющих модулятором, а заканчиваются раньше последних,Благодаря этому синхронные детекторы подключаются к усилителям низкой частоты после, того, как перехопные процессы, вызванные увеличением амплитуды высокочастотногонапряжения от нуля до стационарногозначения, затухнут, а отключаютсяот усилителей низкой частоты до того, как начнутся переходные процессы, вызванные уменьшением амплитудывысокочастотного напряжения передочередным переключением измерительного и эталонного конденсаторов, Этоможно сделать благодаря тому, чтоиспользование амплитудного модулятора позволяет сильно уменьшить интенсивность переходных процессов и темсамым сократить время их затуханиядо пренебрежимо малой величины,Подключение синхронных детекторовк усилителям низкой частоты тольков те интервалы времени, когда переходные процессы затухли и не могутповлиять на результат измерения, позволяет устранить помехи от переходныхпроцессов и тем самым повысить чувствительность и точность измерений.Напряжение с выхода синхронных детекторов подается на регистраторы 21и 22,Блок 9 импульсных команд (фиг. 4)состоит из мультивибратора 23, триггера 24, выходной клеммы 25, интегратора 26, компаратора 27, входнойклеммы 28, элементов 2 И 29 и 30, выходных клемм 31 и 32, компаратора 33,входной клеммы 34 компаратора и выходной клеммы 35.Блок импульсных команд работаетследующим образом. Мультивибратор23 вырабатывает прямоугольные импульсы, форма которых показана на эпюре1 (фиг, 5). Эти импульсы поступаютна триггер 24. Форма импульсов напряжения на выходах триггера показанана эпюрах 11 и 111 (фиг. 5). Напряжение с первого выхода триггера 24 подается на выходную клемму 25 и используется для управления коммутацией измерительного и эталонного конденсаторов.Напряжение с выхода мультивибратора 23 подается на вход интегратора 26. Форма напряжения на выходе ин-тегратора показана на эпюре 1 Ч (фиг, 5). Это напряжениеподается на один из входов компаратора 27. На другой вход (клемма 28) компаратора 27 подается постоянное по величине напряжение Е. Напряжение на выходе компаратора 27 имеет вид прямоугольных импульсов, Фронты последних соот13022 Предположим, что используется вторая возможность, В этом случае коэффициент усиления усилителя высокойчастоты уменьшается до тех пор, покапоказания регистраторов 21 и 22 неначнут изменяться, Изменение показаний регистраторов означает, что сигналы на выходе синхронных детекторовзависят от коэффициента усиления измерительного тракта,.и, следователь но, последний не насыщен, Дальнейшая настройка прибора осуществляет 9ся методом последовательных приближений, Параметры эталонного конденсатора подбираются таким образом,чтобы напряжение, индицируемое регистраторами, стало небольшим, но неравным нулю, например, чтобы оно составляло десятую часть от максимальной величины, которую может индицировать регистратор. Наличие напряжения на выходе измерительных каналовсвидетельствует о том, что параметры измеряемого и эталонного конденсаторов не равны, и поэтому последовательное замещение измеряемого иэталонного конденсаторов, осуществляемое коммутатором, сопровождается модуляцией напряжения на выходемоста. 10 20 Пилообразное напряжение с выхода 25 интегратора .26 подается также на один из входов компаратора 33, На другой вход компаратора подается постоянное напряжение Е. Форма импульсов напряжения на выходе компаратора 33 показана на эпюре 7111 (фиг, 5)Импульсы с выхода компаратора 33 подаются на клемму 35 и служат для управления амплитудным модулятором,Необходимую длительность импульсов, управляющих работой синхронных детекторов и амплитудного модулятора, устанавливают, изменяя величины постоянных напряжений Е, и Е на входных клеммах 28 и 34 ком О параторов 27 и 33,ветствуют моментам времени, в которые мгновенные значения пилообразного напряжения на выходе интеграторасравниваются с постоянным напряжением Е Форма напряжения на выходекомпаратора 27 показана на эпюре 7(фиг. 5). Длительность импульсов навыходе компаратора 27 можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения Е Импульсы напряжения с выхода компаратора 27 подаются на один из входов каждого из двухлогических элементов 2 И 29 и 30,осуществляющих логическую операцию"2 И", На другие входы этих элементовподаются импульсы с выходов триггера 24, Форма импульсов напряженияна выходе логических элементов 2 И29 и 30 показана на эпюрах Ч 1 и 711(фиг, 5). Эти импульсы подаются наклеммы 31 и 32 и используются какопорное напряжение, управляющее синхронными детекторами,Измерения с помощью устройства выполняются следующим образом, Измерительный конденсатор заполняется исследуемым веществом и подключается к прибору, В общем случае в начальный момент времени параметры измерительного и эталонного конденсаторов не равйы, и мост разбалансирован, Вследствие раэбаланса моста и большого различия величин параметров измерительного и эталонного конденсаторов выходное напряжение моста может быть столь большим, что какие-либо элементы измерительного тракта могут оказаться в насыщении, Для того, чтобы избежать этого, можно, например, уменьшить либо ампли 13 Ятуду генератора 10 высокой частоты, либо коэффициент усиления усилителя 12 высокой частоты,Затем, изменяя емкость переменного конденсатора 5 и сопротивлениегеременного резистора 4, образующиходно из плеч измерительного моста,добиваются максимума показаний регистраторов на выходах измерительныхканаловИэ теории мостовых схем известно, что изменение параметров деталей мостовой схемы вызывает наибольшее изменение напряжения на выходе моста в том случае, если мостприблизительно сбалансирован, Поэтому, если изменять параметры переменного конденсатора 5 и переменногорезистора 4, образующих одно из плечизмерительного моста, наиболее глубокая модуляция напряжения на выходемоста, а значит и наибольшее напряжение, индицируемое регистраторайи,будут соответствовать таким значениям емкости переменного конденсатора5 и сопротивление переменного резистора 4, при которых мост приблизительно сбалансирован,13 9 13022На этом заканчивается первое приб лижение к оптимальной настройке измерителього прибора, При этом обеспечивается приближенное равенство параметров измерительного и эталонного конденсаторов и приближенная балансировка моста. После окончания настройки в первом приближении коэффициент усиления усилителя 12 высо" кой частоты немного увеличивают и 10 весь процесс настройки повторяется во втором приближении при увеличенном значении коэффициента усиления усилителя 12, Таким образом, постепенно увеличивая коэффициент усиления усилителя высокой частоты, доводят его до такого значения, которое необходимо для проведения измерений. Затем параметры эталонного конденсатора подбирают таким образом, что 20 бы напряжение, индицируемое регистраторами, обратилось в нуль. Это оз начает, что как емкости, так и активные сопротивления эталонного и измерительного конденсаторов совпадают.Равенство параметров эталонного и измерительного конденсаторов фик-. сируется с наибольшей точностью при условии, что правильно установлены сдвиги фаз, вносимые фазовращателями 15 и 16,Правильную установку сдвигов фаз, вносимых фазовращателями, мозно, например, выполнить следующим образом. Вместо измерительного конденса- тора к прибору подключается какой- либо конденсатор с известными параметрами. Параметры эталонного кон денсатора 7 устанавливаются равными параметрам подключенного конденсатора, и мост балансируется методом последовательных приближений, однако теперь балансировка осуществляется 45 только эа счет изменения переменного резистора 4 и конденсатора 5, Па-, раметры эталонного конденсатора не изменяются, После того, как мост сбалансирован, нужно немного изменить емкость эталонного конденсатора 7. Из-эа этого показания регистра. торов станут отличаться от нуля. После этого следует изменять фазовые сдвиги фазовращателей 15 и 16, добиваясь того, чтобы показания одного регистратора стали максимальными, а второго - равными нулю. При такой настройке фазовращателей показания одного регистратора пропорциональны разности емкостей эталонного и изме ряемого конденсаторов, а показания второго регистратора пропорциональны разности активных сопротивлений эталонного и измеряемого конденсаторов, Именно такая настройка фазовращателей и является оптимальной,Таким образом, уменьшение до нуля высокочастотного напряжения, питающе. го измерительный мост, во время переключения измерительного и эталонного конденсаторов устраняет помехи, возникающие в процессе работы коммутатора. Подключение синхронных де.текторов к выходу усилителей низкой частоты только в те интервалы времени, когда амплитуда высокочастотного напряжения на выходе измерительного моста не.изменяется, исключает шумы, обусловленные переходными процессами, сопровождающими нарастание и спад амплитуды высокочастотного напряжения на выходе моста. Формула изобретения 1. Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов, содержащее генератор высокой частоты, измерительный мост, коммутатор, усилитель высокой частоты и два измерительных канала, каждый из кото.рых состоит из последовательно соединенных фазового детектора, усилителя низкой частоты и регистратора, при этом управляющий вход каждого фазового детектора через соответствующий фазовращатель соединен с генератором высокой частоты, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения чувствительности, оно снабснабжено амплитудным модулятором и блоком импульсных команд, при этом выход амплитудного модулятора соединен с измерительным мостом, один вход - с генератором высокой часто" ты, а другой - с одним из выходов блока импульсных команд, три других выхода которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора и двух синхронных детекторов,. 2, Устройство по п. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что блок импульсных команд содержит последовательно соединенные мультивибратор и триггер, выходы которого соединены с одними из входов двух элементов 2 И, 11 1302213 12другие входы которых соединены с вы- с одним из входов первого и второго ходом первого компаратора, а выходкомпараторов, другие входы которых мультивибратора соединен с входом соединены с выходами источников посинтегратора, выход которого соединен гоянного напряжения.1302213 Составит Техред д,ь Л. Сорокердюкова Ильин ректо лица едак тор Заказ 1214/4 роектна роиэводственно-полиграфическое предприятие город,Тираж 7 осударс м изобрЖ,5 31ВИИИПИ Г тве по дела ете 13035, Москва Ра Подписого комитета СССРй и открытийская наб д. 4/5