Устройство для измерения диэлектрических характеристик

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля диэлектрических параметров жидких и твердых веществ, диэлектрические потери которых могут изменяться в широких пределах. Цель изобретения - повышение точности измерения проводимости, эквивалентной суммарным диэлектрическим потерям в исследуемом веществе, -достигается

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ! ъ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4635904/21 (22) 10.01.89 (46) 30.06.91. Бюл. М 24 (72) Ю.ВЛодгорный (53) 621.317.33(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

ЛВ 756316, кл. G 01 R 27/26, 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 890271, кл. G 01 R 27/26, 1981.

„„ЯЯÄÄ 1659910 А1 (54) УСТРОЙСТ80 ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (57) Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля диэлектрических параметров жидких и твердых веществ, диэлектрические потери которых могут изменяться в широких пределах. Цель изобретения — повышение точности измерения проводимости, эквивалентной суммарным диэлектрическим потерям в исследуемом веществе, — достигается

0 (Л

О

С>

1659910

35 за счет исключения влияния остаточных параметров пустой и заполненной емкостной ячейки 9 на эквивалентную проводимость измерительного контура при частотах 1 мГц и более. В исходном состоянии на выходе логического блока 15 присутствует низкий уровень напряжения, при этом к вспомогательному конденсатору 2 и входу детектора

6 через переключатели 3 и 5 подключены катушка 7 индуктивности и двухполюсник

1 1 связи. Блок 13 управления попеременно подключает в С-контур ячейку 9 и градуированный конденсатор 10. Выход блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, подключен к входу запоминаюИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля диэлектрических параметров жидких и твердых веществ, диэлектрические потери в которых могут изменяться в широких пределах.

Целью изобретения является повышение точности измерения проводимости, эквивалентной суммарным диэлектрическим потерям в исследуемом веществе.

На фиг,1 представлена блок-схема устройства для измерения диэлектрических характеристик; на фиг.2 приведены схемы блоков выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и управления; на фиг.3 изображены временные диаграммы напряжений на выходах блока управления и амплитудного детектора.

Устройство для измерения диэлектрических характеристик содержит высокочастотный генератор 1, вспомогательный

- конденсатор 2, переключатели 3 — 5, амплитудный детектор 6, второй вход которого соединен с третьими коммутирующими контактами переключателей 3 — 5 и второй обкладкой вспомогательного конденсатора 2, катушки 7 и 8 индуктивности, вторые выводы которых соединены с первым и вторым коммутируемыми контактами переключателя 3, емкостную ячейку 9, соединенную с первым, коммутируемым контактом пере ключателя 4, градуированный конденсатор .10, соединенный с вторым контактом переключателя 4, двухполюсники 1 1 и 12 связи, соединенные первыми выводами с выходом высокочастотного генератора 1, а вторыми выводами — с первым и вторым коммутируемыми контактами переключателя 5 соответственно, блок 13 управления, блок 14 выделения параметра, пропорционального 40 щего блока 22 переключателем 20. Контур шунтируется эталонными резисторами 16 и 17, Сигнал на выходе делителя 21 пропорционален отношению измеряемой проводимости к проводимости эталонного резистора. Результат измерения переносится в запоминающий блок 23, Дешифратор 24 готовит эталонные резисторы 16 и 17 к подключению. В более чувствительном поддиапазоне измерений подключаются двухполюсник 12 связи и катушка 8 индуктивности. Устройство для измерения диэлектрических характеристик содержит также высокочастотный генератор 1, ключи 18 и 19, переключатель 4.

3 ил. изменению проводимости контура, первый вход которого и первый (информационный) вход блока 13 управления соединены с выходом амплитудного детектора 6, логический блок (двухуровневый компаратор) 15, эталонные резисторы 16 и 17, вторые выводы которых соединены с первыми (коммутирующими) контактами ключей .18 и 19, переключатель 20, коммутирующий контакт которого соединен с выходом блока 14, выделяющего параметр, пропорциональный изменению проводимости, делитель 21, первый вход которого соединен с первым коммутируемым (нормально замкнутым) контактом переключателя 20, запоминающие блоки 22 и 23, дешифратор 24, содержащий два элемента и 25 и 26 и инвертор 27. Запоминающий блок 22 включен между вторым коммутируемым (нормально разомкнутым) контактом переключателя 20 и вторым входом делителя 21, выход которого соединен с входом запоминающего блока

23, выход которого через логический блок (двухуровневый компаратор) 15 связан с первым входом дешифратора 24 и управляющими входами переключателей 3 и 5. Первые выводы катушек 7 и 8 индуктивности, эталонных резисторов 16 и 17 соединены с первыми обкладками вспомогательного конденсатора 2, градуированного конденсатора 10, емкостной ячейки 9, первым входом амплитудного детектора 6, выходом высокочастотного генератора 1 и общей шиной.

Первый и второй выходы дешифратора

24 соединены с управляющими входами ключей 18 и 19, вторые коммутируемые контакты которых соединены с второй обкладкой градуированного конденсатора 10.

Третьи коммутирующие контакты переключателей 3 и 5 соединены с третьим коммути1659910 блока управления соединены с управляю- 10 щими входами вспомогательного конденсатора 2 и градуированного конденсатора 10.

20

25 той двигателей 31 и 32, элементы И 35 и 36,,30

35 рующим контактом переключателя 4 и второй обкладкой вспомогательного конденсатора 2. Второй вход дешифратора 24 соединен с вторым (управляющим) входом блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и с вторым выходом блока 13 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом переключателя 4 и управляющим входом переключателя 20, третий выход блока 13 управления соединен с вторым входом запоминающего блока

23, второй выход которого является выхо дом устройства по измеряемым диэлектрическим потерям, четвертый и пятый выходы

Первые входы инвертора 27 и элемента

И 26 соединены с первым входом дешифратора 24, выход инвертора 27 соединен с первым входом элемента И 25, второй вход которого соединен с вторым входом элемента И 26 и является вторым входом дешифратора 24, выходы элементов И 25 и 26 являются первым и вторым выходами дешифратора 24 соответственно, Блок 13 управления содержит последовательно включенные генератор 28 тактовых импульсов и счетные Т-триггеры 29 и 30, а также реверсивные двигатели 31 и 32, соединенные, соответственно, с градуированным 10 и вспомотательным 2 конденсаторами, фазочувствительные усилители 33 и

34, предназначенные для управления рабоэлемент ИЛИ 37, Прямой выход Т-триггера 30 является первым выходом блока 13 управления и соединен с первым входом усилителя 33, предназначенного для управления настройкой контура в резонанс с помощью градуированного конденсатора 10, Инверсный выход Т-триггера 30 соединен с первым входом усилителя 34, предназначенного для управления настройкой контура в резонанс с помощью вспомогательного конденсатора 2, и первыми входами элементов И 36 и ИЛИ 37, выход которого является вторым выходом блока 13 управления. Второй вход схемы ИЛИ 37 через элемент И 35 соединен с прямыми выходами

Т-триггера 29 и входом Т-триггера 30, Выход элемента И 36 является третьим выходом блока 13 управления. Второй вход . элемента соединен с инверсным выходом .

Т-триггера 30.

Вторые входы усилителей 33 и 34 соединены с входом блока 13 управления.

Блок 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, содержит ключ 38 с нормально замкнутыми контактами, запоминающий блок 39, вычитатель 40 и делитель 41.

Первые входы вычитателя 40 и делителя

41 и первый контакт ключа 38 соединены с первым входом блока 14 выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура. Второй вход вычитателя

40 через запоминающий блОк 39 соединен с вторым контактом ключа 38. Выход вычитателя 40 соединен с вторым входом делителя

41, выход которого является выходом блока

14 выделения параметра. Управляющий вход ключа 38 (блока 14) соединен с вторым входом блока 14 выделения параметра, Устройство для измерения диэлектрических характеристик работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходе логического блока 15 присутствует низкий уровень напряжения, при этом через нормально замкнутые контакты переключателей 3 и 5 к вспомогательному конденсатору

2 и входу детектора 6 подключены катушка

7 индуктивности и двухполюсник 11 связи, обеспечивающие требуемую точность измерения диэлектрической проницаемости при максимальных диэлектрических потерях в исследуемом вешестве.

Блок 13 управления (прямой выход Т-триггера 30) попеременно подключает в LCконтур, образуемый катушками 7 и 8 индуктивнасти и вспомогательным конденсатором 2, ячейку 9 и градуированный конденсатор 10, при этом контур настраивается в резонанс, соответственно, или вспомогательным конденсатором 2, или градуированным конденсатором 10.

В результате настройки емкость градуированного конденсатора 10 устанавливается равной емкости ячейки 9, и по шкале конденсатора 10 определяют диэлектрическую проницаемость e вещества, заполняющего ячейку 9.

Далее в установившемся режиме настройки рассмотрим работу устройства с помощью временных диаграмм, представленных на фиг.3, на которых изображены сигналы: а — на выходе генератора 28 тактовых импульсов;

Ь вЂ” на выходе Т-триггера 29; с — на прямом выходе Т-триггера 30 (первый выход блока 13 управления);

d — на выходе элемента ИЛИ 37 (второй выход блока 13 управления); е — на выходе элемента И 36 (третий выход блока 13 управления);

1659910

f — на выходе амплитудного детектора 6.

В промежуток времени от to до тз к контуру подключен конденсатор 10, а выход блока 14 выделения параметра подключен к входу запоминающего блока 22 переклю- 5 чателем 20. От to до t2 ключи 18 и 19 разомкнуты, а в блоке 14 выделения параметра ключ 38 замкнут, в результате запоминающим блоком 39 запоминается амплитуда Uo напряжения на контуре, соответствующая 10 собственной проводимости р< неэашунтиррванного контура. От t2 до з высоким уровнем напряжения, поступающим с выхода элемента И 35 через элемент ИЛИ 37, ключ 38 размыкается и ключ 18 (19) за- 15 мыкается. В результате градуированный конденсатор 10 шунтируется эталонным резистором 16 (17), на контуре устанавливается соответствующее напряжение U, поступающее на вход знаменателя делителя 20

4 l и первый вход вычитателя 40, на второй вход которого поступает напряжение Uo c выхода запоминающего блока 39, а на выходе блока 14 (выходе делителя 41) устанавливается сигнал 014(p ), пропорциональный 25 иэменению проводимости измерительного контура, обусловленному шунтированием контура проводимостью р эталонного резистора 16 (17)

014(/Ъ ) р, (1) где р — коэффициент передачи блока 14 выделения параметра (41).

Сигнал U>4 (p ) через переключатель 20 поступает на вход запоминающего блока 22, О г tg до tg на прямом выходе триггера 30 устанавливается высокий уровень напряжения, в контур вместо конденсатора 10 включается ячейка 9 с исследуемым веществом, пОд воздействием высокого уровня напряжения с инверсного выхода триггера 30, поступающего с выхода схемы ИЛИ 37, переключатель 38 остается разомкнутым, а переключатель 20 соединяет выход блока

14 выделения параметра с входом чис- 45 лителя делителя 21, В результате на контуре устанавливается напряжение Ux, соответствующее шунтированию контура и роводимостью р„, эквивалентной диэлектрическим потерям в веществе, заполняющим ячейку 9.

На входы вычитателя 40 поступают напряжения Uo и 0х, разность которых поступает на вход числителя делителя 41, на вход знаменателя которого поступает напряжение Ux. Таким образом, в течение времени о- ta до to на выходе блока 14 выделения параметра формируется сигнал U>4(рх), пропорциональный проводимости р,, эквивалентной потерям в исследуемом веществе, U 4(p ) = р "-р, (2) а на выходе делителя 21 — сигнал, равный отношению проводимостей р, и р,: =р, р. (3)

В момент времени t после установления показаний результат измерения проводимости переносится в Запоминающий блок

23 и индицируется в течение следующего цикла измерений.

Далее работа устройства для измерения диэлектрических характеристик повторяется.

Очевидно, если установить коэффициент передачи запоминающего устройства 23 равным р,,-то на его выходе будет присутствовать сигнал, численно равный проводимости р< анализируемого вещества.

Если в процессе измерения измеренная проводимость оказывается ниже порогового значения, установленного для первого грубого поддиапаэона измерений, то компаратор логического блока 15 подключает соответствующие второму более чувствительному поддиапазону измерения Р» двухполюсник 12 связи и катушку 8 индуктивности и дешифратором 24 готовится к подключению эталонный резистор l7, проводимость + которого соответствует середине второго поддиапазона измеряемых проводимостей. И обратно, если при измерении на более чувствительном поддиапазоне измеренная проводимостьрх оказывается выше установленного для этого поддиапазона порогового значения, то двухуровневый компаратор логического блока 15 подключает двухполюсник 11 связи и катушку 7 индуктивности, соответствующие поддиапазону измерения больших проводимостей, и дешифратор готовится к подключению эталонного резистора 16, проводимость которого равна среднему значению включенного более широкого поддиапазона, За счет исключения влияния остаточных параметров пустой и заполненной ячейки на эквивалентную проводимость измерительного контура при частотах 1 мГц и более повышается точность измерения проводимости ячейки с веществом, Кроме того, в устройстве для измерения диэлектрических характеристик исключается также составляющая погрешности измерения диэлектрических потерь, обусловленная изменением собственной проводимости контура, вызванной старением элементов контура и изменением температуры.

1659910

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрических характеристик веществ, содержащее высокочастотный генератор, своим выходом подключенный к первым выводам первого и второго двухполюсников связи, вторые выводы которых подключены к первому и второму коммутируемым контактам первого переключателя, первую и вторую катушки индуктивности, своими первыми выводами соединенные с общей шиной, вспомогательный конденсатор переменной емкости, первая обкладка которого соединена с общей шиной, емкостную ячейку и градуированный конденсатор, своими первыми обкладками. соединенные с общей шиной, а вторыми — с первым и вторым коммутируемыми контактами второго переключателя соответственно, амплитудный детектор, первый вход которого соединен:с общей шиной, второй вход — с коммутирующим контактом второго переключателя, а выход — с первым входом блока выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, и входом блока управления, логический блок, выход которого соединен с управляющими входами первого и третьего переключателей, первый выход блока управления соединен с управляющим входом второго переключателя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения диэлектрических потерь, в него дополнительно введены первый и второй эталонные резисторы с известной проводимостью, первый и второй ключи, дешифратор, первый и второй выходы которого соединены с управляющими входами первого и второго ключей, четвертый переключатель, два запоминающих блока и делитель, первый вход которого соединен с первым коммутируемым контактом четвертого переключателя, второй коммутируемый контакт которого через первый запоминаю5 щий блок связан с вторым входом делителя, выход которого соединен с первым входом второго запоминающего устройства, первый выход которого через логический блок соединен с первым входом дешифра10 тора, второй вход которого и второй вход блока выделения параметра, пропорционального изменению проводимости контура, соединены с вторым выходом блока управления, третий выход которого соеди15 нен с вторым входом второго запоминающего блока, второй выход которого является выходом устройства по измеряемым диэлектрическим потерям, первые выводы первого и второго эталонных резисторов со20 единены с общей шиной и входом высокочастотного генератора, вторые выводы — с первыми коммутирующими контактами первого и второго ключей, вторые коммутируе: мые контакты которых соединены с второй

25 обкладкой градуированного конденсатора, вторые выводы первой и второй катушек . индуктивности соединены с первым и вторым коммутируемыми контактами третьего переключателя, коммутирующий контакт

30 которого соединен с коммутирующими контактами первого и второго переключателей и второй обкладкой вспомогательного конденсатора, выход блока выделения параметра соединен с третьим коммутирующим

35 контактом четвертого переключателя, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, четвертый и пятый выходы которого соединены с управляющими входами вспомогательного и

40 градуи рован ного конденсата ров.

1659910 (3)

/ Х(з) 1659910

ФигЗ

Составитель Ю.Минкин

Редактор Т.Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор Т.Малец

Заказ 1842 Тираж 422 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101