Устройство для определения физико-химических параметров материалов и веществ

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 17 87 7/22 1)5 6 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОГСКОМ ИДЕТЕЛ ЬСТ М.Глушик 1(56) Авторское свидетельство СССР М 913211, кл. 601 й 27/22, 1982,Авторское свидетельство СССР Ь 648895, кл. 6 01 М 27/22, 1979.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧ ЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕ- РИАЛОВ И ВЕЩЕСТВ(57) Использование: для широкого класса задач измерения физико-химических параметров методами диэлькометрии. Сущность изобретения; предложена автоматизиро. ванная двухканальная схема с перестраиваемым управляемым двухполюсником; к Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к диэлькометрическим средствам определения . физико-химических параметров веществ.Известно диэлькометрическое устройство, содержащее генератор, измерительную ячейку, аппаратуру вторичного преобразователя сигнала и индикатор.Устройство имеет следующие недостатки: невысокая чувствительность за счет пологой характеристики преобразования и недостаточная точность.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, . содержащее датчик в виде диэлектрической подложки с тремя парами компланарных электродов, управляемый резонансный которому через коммутатор подключен диэлькометрический датчик из трех компланарно выполненных электродов, причем первые обкладки электродов контактируют с исследуемым материалом, а вторые с образцовым материалом или воздушной средой. Обработка результатов в режиме "Оппе" осуществляется микро-ЭВМ, Повышение точности и автоматизация процесса измерений достигаются за счет введения в устройство двух цифроуправляемых генераторов, цифроаналогового преобразователя, дешифратора, сумматора, двух синхронных детекторов, двух аналого-цифровых преобразователей, трех усилителей- ограничителей и коммутатора, соединенных определенным образом между собой и с другими функциональнйми блоками устройства. 4 ил. двухполюсник, содержащий последовательно соединенные катушку индуктивности, конденсатор и два встречно включенных варикана, прйчем выводы катушки индуктивности являются входом и выходом двухполюсника, узел соединения вариканов подсоединен к клемме управляющего входа, а узел соединения конденсатора с вари- каном - к нулевой шине устройства, включающего также дифференциальный усилитель и общую шину интерфейса и микро-ЭВМ,Недостатки устройства- недостаточная точность измерений и невозможность полной автоматизации измерительного цикла.Цель изобретения - повышение точности путем исключения расстройки реэонан10 15 20 25 35 45 50 55 сного контура сдатчиком относительно нормированной частоты зондирующего поля, а также автоматизация процесса измерения путем регулирования вносимого контуром фазового сдвига по нулевому значению,На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для определения Физико-химических параметров материалов и веществ; нз фиг, 2 - зпюры напряжений. поясняющие процесс изменения- частот испытательных сигналов; на фиг. 3 - блок-схема алгоритма работы устройства; на фиг. 4- зависимость диэлектрической проницаемости е от влажности Я пшеницы.Устройство для пределения Фиэикохимических параметров материалов и Веществ содержит датчик 1 в виде диэлектрической подложки с тремя парами комплвнврных электродов 2-4, управляемый резонансный двухполюсник 5, содержащий последовательно соединенные катуаку 6. оиденсзтор 7, двв встречно включенных еарцквпе 8 и 9, коммутатор 10, первый 1.1, второй 12 и третий 13 усилителиогрзничители. диффереициельный усилитель 14. перецй 1 и второй 16 синхронные .детекторы, первый 17 и второй 18 еивлогонФи пйииюаи, к вцй преобреэователь 19, дешифратор (преобразователь коде е упяющий сигнал "1" или "0") 20, первый 21 и второй 22 цифроунрееляемые генераторЫ, сумматор 23, интерфейс 24 и микро-ЭВМ 2,Причем вцеодц етуаки 6 иидуктиености являются емодом и выходом двухполсиикв 5. Узел соединения еерикапое 8 и 9 подсоединен к клеммам управляющего входа деухполаеника .Узел соединения конденсаторе 7 с варикепом 9 подсоединен к нулевой вине устройства.Первый и второй входы коммутатора 10 объединены и подключены к обкладке, второго комплвнврного электрода 2, вторая обкладка которого подсоединена к третьему входу коммутатора 10. Обкладки первого 3 и третьего 4 компяанарных электродов попарно закорочены и соединены с нулевой шиной устройства, Управляющий вход коммутатора 10 соединен с выходом дешифратора. 20. Первый выход коммутатора 10 подсоединен к входу двухполюсника 5 и к входу первого усилителя-ограничителя 11, Второй выход коммутатора 10 соедииен с нулевой шиной устройства.Выход двухполюсника 5 соединен с выходом сумматора 23, первый и второй входы которого подключены к выходам, соответственно, первого 21 и второго 22 цифроуправляемых генераторов через второй 12 и третий 13 усилители-Ограничители соединены с опорными входами первого 15 и второго 16 синхронных детекторов, Сигнальные входы синхронных детекторов 15 и 16 Объединены и подсоединены к выходу первого усилителя-ограничителя 11. Выход первого синхронного детектора 15 подключен к инверсному входу дифференциального усилителя 14, прямой вход которого соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя 17 и подключен к выходу второго синхронного детектора 16. Выход дифференциального усилителя 14 соединен с входом второго аналОГО-цифрового преобразователя 18.Цепи обмена цифроуправляемых генераторов 21 и 22 аналого-цифровых преобразователей 17 и 18, цифроаналогового преобразователя 19 и микро-ЭВМ 25 подключен к шине интерфейса 24. Выход цифроаналогового преобразователя 19 . соединен с управляющим входом двухполюсника 5.В основу предложенного технического решения положен разработанный авторами способ определения Физико-химических пврвметрое материалов и веществ, заключающийся е том; что Формируют первую пару испытательных сигналов с равными вмплитудвми и симметричнцми относительно нормированный частоты Ь частотами Ьн 1 и Фе 1, НВХОДЯЩИМИСЯ ЗЗ ПРЕДЕЛаМИ ПОЛОСЫ Ьо пропускзния нензгруженного контура, вносящего РО 30).градусные Фазовые сдвиги в испытательные сигналы, полученные сигналы суммируют, возбуждают контур результирующим деухчастотным сигналом, измеряют фазоеце сдвиги, вносимые контуром е кзждцй испцтательный сигнал, сравнивают между собой по модулю полученные значения Фазовых сдвигов на частотах 1 н 1 и в 1 соответственно, измеряют разностную частоту контура до равенства абсолютных значений Фазовых сдвигов, изменяют разность частот каждой пары испытательных СИГИаЛОВ ДО ЗНаЧЕНИЯ 6 - 1 в 2 - 1 н 2, ПРИ ОтО- ром измеряемый Фазовый сдвиг на одной из частот достигает по модулю значения 45 о, измеряют значения частот 1 н 2 и 1 а, определяют резонансную частоту 1 ро и ширину ПОЛОСЫ ПРОПУСКаНИЯ 1 о КаК ПОЛУСУММУ И разность частот испытательных сигналов, затем воздействуют полем датчика на исследуемый материал или вещество, измеряют фаэовые сдвиги, вносимые контуром в испытательные сигналы, сравнивают по модулю полученные фазовые сдвиги, сдвигают по частоте на одно и то же значение испытательные сигналы до достижения равенства модулей вносимых фазовых сдвигов иа1753387 5частотах тнз и 1 в 1, увеличивают разность испытательных сигналов до "достижения 45 градусного сдвига фаз, измеряют значениячастот н 4 и о 4 испытательных сигйалов, определяют резонансную частоту урн и ширину полосы пропускания Ын нагруженногоконтура как полусумму и разность частотиспытательных. сигналов, а значение мнимой и вещественной составляющих диэлектрической проницаемости исследуемогоматериала и вещества и тангенсз угла диэлектрических потерь определяют из выражений4 =1;ф нтроИ(Ьн - Ао),трот 9 д =(Ьн - . Ьо)/ро,которые позволяют посредством грздуировочных характеристик судить о значении физико-химических параметров.Обычно диэлектрические параметры определяют на одной или нескольких,фиксированных частотах, оговоренных стайдартом или техническими условиями нз контролируемый материал.При определении комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 1 о используют соответствующий резонансный двухполюсник с датчиком, настроенный на частоту 1 ро - о. По градуировочным характеристикам, связывающим диэлектрические параметры с физико-химическими . параметрами, судят о влажностй плотности, вязкости, пористости и;т.д. исследуемых материалов или веществ.Работа устройства заключается в следующем.В режиме измерения диэлектрическихпараметров исследуемого материала в качестве среды сравнения используют воздушную среду.Накладывают датчик на исследуемыйматериал.Включают питание устройства. С помощью пульта управления в оперативную память ЭВМ 25 вводят коды чисел (фиг.З): й 1 о -значение нормированной частоты, йу - значение полосы пропускания ненагруженного контура, йо - значение входйого кода дешифратора 20: й 45 - значение 45-градусного фазового сдвига; йо- значение входного кода цифроаналогового преобразователя 19; йю 1 - значение частоты выходного сигнала первого генератора 21; йю 2. - значение частоты выходного сигнала второго генератора 22,Одновременно в память микро-ЭВМ 25вводятся таблицы соответствия физико-химических параметров исследуемых материалов или веществ, соответствующих их5 диэлектрическим характеристикам, По программе с микро-Э ВМ 25 осуществляется установка функциональных блоков 19-22 висходное состояние. В частности, например, на вход цифроаналогового преобразо 10 вателя 19 поступает код числа йо, которыйпреобразуется в напряжение Оо, обеспечивающее установку среднего значения емкостей варикапов 8 и 9. На цифровые входыдешифратора 20, в качестве которого может15 быть использован, в простейшем случае,многовходовой логический элемент И, поступает код нуляобеспечивающий формирование соответствующего потенциала навыходе дешифратора 20 и установку комму 20 тзтора в положение, указанное нз фиг. 1. Навходы цифроуправляемых генераторов 21 и .22 поступают коды чисел йа 1 и йщ, устанавливающие начзльнйе значения частотто 1 и 1 п этих генераторов.25 Известны частотные характеристики исследуемого материала или задана частотаФо, соответствующая максиийльному значению амплитудно-частотной характеристикиисследуемого материала,ЗО Устройстао содержит набор резонансных двухполюсников для перекрытия частотного диапазона от десятков килогерц додесятков мегагерц: 10 кГц -50 кГц, 60 кГц -100 кГц, 100 кГц - 1 МГц, 1 Мгц - 30 МГц. В35 зависимости от требуемой нормированнойчастоты зондирующего поля выбирают соответствующий резонансный двухполюсник.По значениям йто и Йу с помощью ЭВМ40 25 вычисляются коды чисел Юо 1 и йв 2, которые поступаютна входные регистры цифроуправляемых генераторов 21 и 22соответственно, На их выходах формируются сигналы45 01(т) Оыв п(2 л Н 1 фй 1) . (1)О 2(Ф) = Опавп(2 жть 1+ Рь 1), Р)где Ъ 1 и ри - начальные фазовые сдвиги,с равными амплитудами Ов 1 = Оа 2 " Ов и50 симметричными относительно нормированной частоты 1 ро частотами Ь 1 = Ь -ьб и 1 ь 1 =1 о+ б, находящимися за пределами полосыь, пропускания ненагруженного резонансногодвухполюсника 5, вносящего 70-80-гра 55 дусные фазовые сдвиги уЫ идры виспытательные сигналы (1) и (2), и расположенными симметрично относительно частоты Ьо (фиг.2 а),В результате на первый и второй входы сумматора 23 и входы усилителей-ограничителей 12 и 13 поступают испытательные сигналы (1) и (2) соответственно, В результате суммирования Формируется сигнал . 5Оз(1) 01(1) + 02(1) (3) который возбуждает резонансный двухполюсник 5 и создает соответствующее зондирующее поле датчика, Вначале поле датчика взаимодействует с воздушной средой, так 10 как коммутатор 10 установлен в положение, укаэанное на фиг, 1.Сигнал.О (С) =01 зп(2 д 1 1-дЪ 1-ЬдЪ 1)+ +Он 1 з 1 п (2 жФы 1+дъ 1 + Ьдъ 1), (4)15 где Ою " Ь 1 Ое, Оы = Мы Оы1 вКн 1 И. КЫ - КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕДаЧИ РЕЗОНаНСНОГО дВуХПОЛЮСНИКЗ 5 На ЧаСтОтаХ н 1 и 1 ы соответственно, 20 с выхода резонансного двухполюсника 5 поступает на сигнальные входы синхронных детекторов 15 и 16. На опорные (управляющие) вторые входы синхронных детекторов .15 и 16 поступают предварительно усилен ные в усилителях-ограничителях 12 и 13 выходные сигналы генераторов 21 и 22 соответствеиноВ результате сийхронного детектирования сигнала (4) на выходах детекторов 15 и 16 формируются напряжения 30ОВ-К 1 Ьрн 1 (5) ОвК 1 Ьфы (6) где К 1 - коэффициент пропорциональности.Напряжение (6), пропорциональное фазовому сдвигу Ьуы, поступает на вход 35 первогоаналого-цифрового преобразователя 17. По выходному коду первого аналогоцифрового преобразавателя 17, подключенного к выходу второго синхронного детектора 16, судят о значении фаэово го сдвига Ьы, вносимого резонансным двухполюсником 5 в испытательный сигнал (2) на частоте 1 ы.Выходные сигналы (5) и (6) синхронных детекторов 15 и 16 поступают также на ин версный и прямой входы дифференциального усилителя 14. выход которого подключен к входу второго аналого-цифрового преобразователя 18.По выходному коду второго аналого цифрового преобразователя судят о равенстве фазовых сдвигов (5) и (6), вносимых в испытательные сигналы (1) и (2). В случае их неравенства, т,е. при выполнении условияОвЗ.: Ов(или -ЬЪ 1 уы), р) 55 изменяют резонансную частоту контура до получения равенстваОв Ов(или - ЬуЪ 1 = ЬуЪ 1 =Ьу 1) (8) (фиг. 2 б, 3). Изменение резонансной частоты двухполюсника 5 осуществляют за счет изменения результирующей емкости встречновключенных варикапов 8 и 9 путем подачина их узел соединения выходного напряжения цифроаналогового преобразователя 19(фиг.1). Входной код цифроаналогового преобразователя 19 устанавливают таким, чтобы выполнялось равенство(8). В этом случаененагруженный резонансный двухполюсник 5 будет настроен на заданную нормированную частоту 1 ро = то (Фиг,2 б), На выходерезонансного двухполюсника 5 появитсясигнал, с учетом (8), вида07(1)=1 сн 10 в 1 зп(2 дн 11 - Ун 1 - Ь р 1) ++ кы 0 31 и (2 ж 1 Ы 1 + 1 + Ь р 1), (9)который возбуждает в датчике соответствующее зондирующее поле.Затем равномерно изменяют разностьчастот испытательных сигналов (1) и (2) дозначенияф 2=1 Ь 2 "тн 2 Ьо 1 (10)при котором первый аналого-цифровой преобразователь 17 выдает код 45-градусногоФазового сдвига, вносимого в испытательный сигнал (2), а следовательно, и в испытательный сигйал (1) (Фиг,2 б). Выходнойсигнал резонансного двухполюсника 5 достигнет максимального уровня и опишетсявыражениемОв (1) = Щ асов(2 ж Юн 2 1 - дЪ 1) + со з хДжь 21+ ОЫ, (1 1)где Опи,= мн 20 в = мь 20 а =0,707 Оо;Ь 2 и 1 ь 2 - частоты испытательных сигналов, обеспечивающие выполнение условия(10),дъ 1 и Рь 1 - начальные фазовыесдвиги испытательных сигналов,ФИКСИРУЮТ ЭНаЧЕНИЯ КОДОВ ЧИСЕЛ йн 2 Ийь 2, при которых цифроуправляемые гене-раторы 21 и 22 формируют испытательные .сигналы с частотами Ь 2 и 1 ь 2 при условии1+ Ьф = 45 о. В результате получаютйн 2 = КЗтн 2 (12)йь 2 Кзть 2, . (13)где Кз - коэффициент пропорциональности.С помощью микро-ЭВМ 25 по значениям (12) и (13) вычисляют резонансную частоту и ширину полосы пропусканияненагруженного резонансного двухполюсника 5. Полученные коды чиселй 11 = 0,5(йн 2 + й Ь 2) (14)й 12 = йЬ 2- йн 2., (15)заносят в оперативную память микро-ЭВМ25.После определения параметров ненагруженного резонансного двухполюсника 5 сдатчиком по команде с ЭВМ 25 на управля.ющий вход коммутатора 10 с выхода дешиф55 лреобрааоаателем. Оригинальным яеляетла ало лось значение влажности ЧЧ. При И = 3,5влажность составила 8,4%,В предложенном техническом решенииповышение точности и автоматизации процесса измерений достигается за счет введения в устройство двух цифроуправляемыхгенераторов, цифроаналогового преобразователя, дешифратора, сумматора, двух синхронных детекторов; двуханалого-цифровых. преобразователей и коммутатора, соединенных определенным образом между собой и с другимифункциональными блоками устройства.В частности, например, введение циф-.роуправляемых генераторов, дешифратора,аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, сопрягаемых с микро-ЭВМ,позволило полностью автоматизироватьпроцесс определения физико-химическихпараметров материалов и веществ,В предложенном устройстве повышение точности достигается эа счет введениясинхройных детекторов и аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающихвысокоточное получение информации о вносимых фазовых сдвигах. Последние, как отмечалось, служат информативнымипараметрами для определения частот испытательных сигналов и, кэк следствие. параметров ненагруженного и нагруженного 3 Оконтура, Введение коммутатора также обеспечивает достижение цели изобретения, таккак с его помощью осуществляется автоматическое.подключение чувствительных элементов (датчика) с исследуемым 35материалом или средой сравнения к резонансному двухполюснику, обеспечениедвух тактов или режимов работы устройства, получение информационной иэбыточности и высокоточное определение мнимой и 4 Овещественной составляющих диэлектрической проницаемости исследуемого материала и его тангенса угла диэлектрических потерь.Введение сумматора позволило сформировать сигнал, возбуждающий двухполюсник с датчиком, решить проблему разделения сигналов, имеющую место при использовании в качестве возбуждающегобалансно-модулированного сигнала, пол Оучаемого обычно йутем смешивания сигналов с близлежащими частотами с помощью смесителя. Повышение точности измерений дОСтигается за счет автоматической подстройки резонансной частоты двухполюсника с помощью встречно включенных варикапов, емкость которых изменяется по команде с ЭВМ с помощью управляющего сигнала, формируемого цифроаналоговым подведение управляющего сигнала к узлу соединения встречно включенных варикапов. Это обеспечйвает гальваническую развязку возбуждающего и управляющих сигналов; исключение паразитных составляющих в выходном сигнале резонансного двухполюсника и, как следствие, повышение точности выделения информации о вносимых фазовых сдвигах.Использование микро-ЭВМ для хранения в ее постоянной памяти градуировочной характеристики позволило получить с высокой точностью информацию о физико-химических параметрах исследуемого материала или вещества,Формула. изобретения Устройство для определения физико-химических параметров материалов и веществ, содержащее датчик в виде диэлектрической подложки с тремя парами компланарных электродов, управляемый резонансный двухнолюсник, содержащий последовательно соединенные катушку индуктивности, конденсатор и два встречно включенных варикапа, причем выводы катушки индуктивности являются входом и выходом двухполюсника, узел соединения варикэпов подсоединен к клемме управляющего входа, а узел соединения конденсатора с варикапом - к рулевой шине устройства, включающего также дифференциальный усилитель, общую шину интерфейса и микро-ЭВМ, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и автоматизации измерений, в него введены первый и второй цифроуправляемые генераторы, цифроаналоговый преобразователь, дешиФратор, сумматор, первый и второй синхронные детекторы, двэ аналогоцифровых преобразователя, три усилителя- ограничителя и коммутатор, первый и второй входы которого объединены и подключены к обкладке второго компланарного электрода, вторая обкладка которого подсоединенэ к третьему входу коммутатора, обклдака первого и третьего компланарных электродов попарно закорочены и соединены с нулевой шиной устройства, управляющий вход коммутатора соединен с выходом дешифратора, первый выход коммутатора подсоединен к входам двухполюсника и первого усилителя-ограничителя, а второй выход соединен с нулевой шиной устройства, выходдвухполюсника подключен к выходу сумматора, первый и второй входы которого подключены к выходам соответственно первого и второго цифроуправляемых генераторов и через второй и третий усилители-ограничители соединены с опорнымидами первого и второго синхронных де1753387 13текторов, сигнальные входы которых обьединены и подсоединены к выходу первого усилителя-ограничителя, выход первого синхронного детектора подключен к инверсному входудифференциального усилителя, 5 прямой вход которого соедИнен с входом первого аналого-цифрового преобразователя и подключен к выходу второгосинхронного детектора, выход дифференциального усилителя соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, цепи обмена цифроуправляемых генераторов, аналого-цифровых йреобразователей, дешифратора, цифроаналогового преобразователя и микро-ЭВМ подключены к шине интерфейса, а выход цифроаналогового преобразователя соединен с управляющим входом двухполюсника,1753387р Ф/ 8 ла ж нйсеф мЮМЧЮ Составитель В, Кондратов Редактор В. Дайко Техред М,Моргентал Корректор А. Ворович акаэ 2764 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10