Устройство для измерения диэлектрических параметров веществ

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии. Целью изобретения является упрощение устройства и повышение томности измерения Устройство для измерения диэлектрических параметров содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостный датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варикапы 5, модулятор 6, демодулятор 7, первый 8 и второй 9 амплитудные детекторы , квадратор 10, перемножитель 11, блок 12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости и источник 14 опорного напряжения. Введение в устройство дифференциального усилителя 13 позволяет упростить устройство, увеличить точность измерения за счет введения петли обратной связи, поддерживающей неизменной амплитуду ВЧ-напряжения на измерительном контуре при любых значениях проводимости исследуемого образца. 1 ил сл С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4 ,Ю (гд

0 (21) 4781323/21 (22) 11.01.90 (46) 30.05.92. Бюл. N 20 (71) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственного предприятия "Химавтоматика" (72) Ю.В. Подгорный (53) 621.317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 949543, кл, 6 01 R 27/26, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1277019. кл. G 01 R 27/26, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости

„„5U„„1737367 А1 веществ в различном агрегатном состоянии.

Целью изобретения является упрощение устройства и повышение тонности измерения.

Устройство для измерения диэлектрических параметров содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостный датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варикапы 5, модулятор 6, демодулятор

7, первый 8 и второй 9 амплитудные детекторы, квадратор 10, перемножитель 11, блок

12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости и источник 14 опорного напряжения. Введение в устройство дифференциального усилителя 13 позволяет упростить устройство, увеличить точность измерения за счет введения петли обратной связи, поддерживающей неизменной амплитуду ВЧ-напряжения на измерительном контуре при любых значениях проводимости исследуемого образца. 1 ил.

1737367

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии.

Цель изобретения — упрощение устройства и повышение точности измерения, На чертеже изображена принципиальная схема предложенного устройства.

Устройство для измерения диэлектрических параметров содержит генератор 1 высокой частоты, резистор 2 связи, емкостной датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие элементы (варикапы) 5, модулятор

6, демодулятор 7, первый 8 и второй 9 амплитудные детекторы, квадратор 10, перемножитель 11, блок 12 вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, дифференциальный усилитель 13 и источник 14 опорного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

С генератора 1 через резистор 2 связи напряжение поступает на измерительный

LC-контур, образованный емкостн ым датчиком 3, катушкой 4 индуктивности и модулирующими варикапами 5.

Аналитически при неизменной амплитуде напряжения (Е) на выходе генератора амплитуда напряжения (U) на контуре определяется модулем коэффициента передачи (А), являющегося функцией параметров измерительной схемы, в том числе емкости контура и проводимости(9„), эквивалентной потерям в исследуемой пробе, заполняющей емкостный датчик 3, т. е.

U Z

Е + В (1) где Z — полное сопротивление измерительного контура;

R — сопротивление резистора 2 связи, г — о,б р + Rlgl2 (1 — NðLC)ã ) — о,б (2)

Р г где L — индуктивность катушки 4;

С вЂ” полная емкость контура, равная сумме емкостей датчика 3 и модулирующих варикапов 5; и — круговая частота измерения.

Модулятор 6 периодически изменяет емкость варикапов на величину CM.

Вследствие неравенства коэффициентов передачи измерительной схемы при двух значениях емкости модулирующих варикапов 5 высокочастотное напряжение на контуре модулируется по амплитуде, Демодулятором 7 выделяется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном контуре.

Если изменение емкости модулирующих варикапов 5 удовлетворяет условию

CM < (, то амплитуда модуляции выаР1 сокочастотного напряжения на контуре пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи, т. е, UM= Š— См

dA

dC (3)

Первая производная модуля коэффициента передачи на емкости (крутизна резонансной характеристики) определяется аналитическим выражением;

dA 1 — аР С г з С 1. или А оР (С C) q . Аз (4) где Сг — значение емкости контура, соответствующее резонансу (аР— ), 1

Сr

Из уравнений (1), (3) и (4) получаем выражение, связывающее отклонение Лс емкости контура от резонансного значения с напряжением на выходах демодулятора 7—

UM и амплитудных детекторов 8 и 9 - U и Е соответственно, т. е.:

ЛС = Сг — С = e .

UM Е з (5) где р — коэффициент пропорциональности

1 аРс кг

Дифференциальный усилитель 13 в петле обратной связи обеспечивает стабилизацию напряжения на измерительном контуре. Напряжение на измерительном контуре поддерживается равным опорному

40 Оо"

Если положить опорное напряжение равным единице, то уравнение (5) может быть записано в виде

hC= р0мЕ (7)

45 С выхода демодулятора 7 напряжение

UM поступает на первый вход перемножителя 11, на второй вход которого с выхода амплитудного детектора 9 через квадратор

10 поступает напряжение Е, равное ампли0 туде колебаний на выходе генератора 1. B результате на выходе перемножителя 11 в соответствии с уравнением (7) формируется напряжение, пропорциональное отклонение ЬС емкости контура от резонансного значения. Если при незаполненном датчике контур настроить в резонансе, то после заполнение датчика напряжение на выходе перемножителя 11 будет пропорциональновеличине / e — 1/, 1

1737367 где е — действительная часть диэлектриче1 ской пропорциональности пробы.

Далее напряжения с выходов квадратора 10 и перемножителя 11 поступают на входы блока 12 вычисления мнимой состав- 5 ляющей диэлектрической проницаемости, на выходе которого в соответствии с уравнением

gx = (8) формируется сигнал, пропорциональный проводимости gx, эквивалентной потерям в исследуемом образце. В уравнении (8) величине (Е/U) соответствует напряжение на

Ом Е выходе квадратора, а величине (Р )— з напряжение на выходе перемножителя 11.

Уравнение (8) можно получить из исход- 20 ного уравнения (2) с учетом уравнений (1) и (5), т. е.

1 . 2 Е2 — = (1 + Ri gx)2 + иР (С вЂ” С)2 ° Ri =

А 0 25 или (+gx) = — — — сР(cr — c)

1 2 1 Е г

R2 0 откуда с учетом выражения (5) получаем уравнение (8).

Учитывая, что мнимая составляющая я диэлектрической проницаемости связаII на с проводимостью соотношением е — —, где Ся — рабочая емкость датчика и Q( вС

3, то при неизменных частоте генератора 2 и емкости датчика 3 выход блока 12 может быть проградуирован в значениях мнимой составляющей едиэлектрической проница- 40 ем ости.

Таким образом, предлагаемое устройство является более простым, так как введение в него элементов, стабилизирующих амплитуду напряжения на контуре (опера- 45 ционного усилителя и источника опорного напряжения, включенных в петлю обратной связи), позволяет исключить два делителя напряжения.

Одновременно это повышает точность 50 измерения, так как наличие делителей напряжений является основным источником погрешности обработки измерительной информации.

Квадратор, блок вычисления мнимой составляющей 8 диэлектрической проницаемости, содержащий квадратор, схему извлечения квадратного корня и две схемы вычитания напряжений, можно реализовать на базе операционных усилителей и аналоговых умножителей и интегральном исполнении, Так, в аналоговой схеме извлечения корня квадратного используется операционный усилитель, в цепь отрицательной обратной связи включается аналоговый умножитель.

Погрешность измерения диэлектрической проводимости в данном устройстве снижается до 67;.

Формула изобретения

Устройство для измерения диэлектрических параметров веществ, содержащее последовательно соединенные генератор высокой частоты, резистор связи и емкостной датчик, включенный в параллельный измерительный 1.С-контур с модулирующим элементом, модулятор, выход которого соединен с управляющим входом модулирующего элемента, демодулятор и первый амплитудный детектор, входы которых объединены и соединены с измерительным LC-контуром, второй амплитудный детектор, вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, перемножитель, квадратор, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход которого является первым выходом устройства, блок вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, выход которого является вторым выходом устройства, и источник опорного напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения точности измерения, в него введены дифференциальный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом генератора высокой частоты, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй выход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, выход второго амплитудного детектора соединен с входом квадратора, выход которого соединен с первым входом блока вычисления мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, второй вход которого соединен с выходом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом демодулятора.