Измеритель параметров диэлектриков и проводящих сред

 

ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ЛИЭЛЕКТРИКОВ И ПРОВОДЯЩИХ СРЕД, содержащий высокочастотный генератор , измерительную ячейку; измерительный и образцовый датчики, первый коммутатор , подвижный контакт которого соединен с вхоцом измерительной ячейки , а цва неподвижных контакта соединены с первыми выводами соответственно измерительного и образцового датчиков, вторые выводы которых соединены с корпусом устройства, коммутацисиный генератор , последовательно соединенные усилитель постоянного тока и инаикатор, ОТЛИЧИ юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения малых значений внесенного импецанса, в него введены модулятор, два встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор, квадратурный фазовращатель, целитель частоты, причем сигнальный и модупирукший входы моцупятора соединены с выходами соответственно высокочастотного и коммутационного генерагорюв , входы вентилей соединены с выходом измерительной ячейки, непоцвижные контакты второго коммутатора соединены соответственно с выхо (Л дами вентилей, вход интегратора соецинен с подвижным контактом второго коммутатора, а выход - с входом усилителя постоянного тока, вход квадратурного фазовращателя соединен с выходом коммутационного генератора, а выход - с входрм делителя частоты, э У1 выход которого соединен с управляющими входами коммутаторов. СП at)

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧ ЕСНИХ

РЕСПУБЛИК ()9) (И) З(5() G 01 R 27/2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (1

Н ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3457168/18-21 (22) 19.04.82 (46) 30.10.83. Бюл. № 40 (72) Б. А. Иванов, Ю. А. Скрипник, П. Т. Захаров, B. И. Ручкин и Н. P. Папеико (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (53) 621.317.335.2 (088.8) (56) 1. Патент США № 4045728, кл. Ci 01 Й 27/26, 1977, 2. Авторское свидетельство СССР

¹ 655990, кл. 0(01 К 27/26, 1976 (прототип) . (54) (57) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ

ДИЭЛЕКТРИКОВ И ПРОВОДЯШИХ

СРЕД, сопержаший высокочастотный гене« ратор, измерительную ячейку; измеритель ный и образцовый датчики, первый коммутатор, подвижный контакт которого соепинен с вхопом измерительной ячейки, а ава непопвижных контакта соецине ны с первыми выводами соответственно измерительного и образцового датчиков, вторые BbIBollbl которых соединены с «орпусом устройства, коммутационный гене ратор, последовательно соециненные усилитель постоянного тока и индикатор, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения малых значений внесенного импеданса, в него ввецены моцулятор, пва встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор, квапратурный фазоврашатель, делитель частоты, причем сигнальный и модулируюший вхоаы моцулятора соединены с выходами соответственно высо кочастотного и коммутационного генерагоров, вхоцы венгилей соецинены с выходом измерительной ячейки, непоавижные контакты второго коммутаторВ соединены соответственно с выходами вентилей, вход интегратора соединен с подвижным контактом второго коммутатора, а выхоц - с вхоцом усилителя постоянного тока, вход квапратурного фазоврашателя соецинен с выходом коммутационного генератора, а выход - с входом аелителя частоты, выхоп которого соединен с управляюшими входами коммутаторов.

1051456

Изобретение относится к области нерезрушаюшего контрол параметров материалов, вешеств и и:>палий и может быть использовано квн пля измерения реактивных импедансов ка тушек инпукгивности и конпенсаторов, тек и пля контроля технологических свойств циэлектрическпх и провоцяших ог>ъектов по величине внесенного импепансе.

Извегтно устройство пля контроля параметров катушек инцуктивностп, основанное на измерении малых прирашений вносимого реактивного сопротивления и содержашее цва автогенерв тора, измерителbHый тракт, соелнненн" к1 с ВpE. Mя зл— цаюшей цепью опного из автсгенервторо, образцовую и измерительнух кетушки инцуктпвнос:ти; измерительный тракт сос тон т из после ц ова те л ьн о сое и ине нных частотного преобразователя, вхоцы которого соединены с вьгхоцами автогенереторов, низкочастотного усилителя, синхронного цетекторе и инпнкатора, е так ке коммутатор, подвижный контакт которого >» соецинен с измерительной ячейкой, в два непоцвищных контакта — с первыми выводами катушек, вторые выводы которых соепинены с обшей точкой измерительной ячейки, и коммутационный генератор, 3О выкоп которого соецинен с опорным «хопом синхронного цетектора и с цепьн> управления коммутатор (1)

Нецоствтком устройства явля тся низкая точность измерения, связанная с

35 наличием коммутационных помех, возникаюших на входе измерительного тракта при переключении коммутатора, поскольку нестационврность спектра коммутационных помех привоцит к перегрузке усилительных звеньев с большими коэффициентами перецечи, в кроме того, в случае частотной модуляции тестового сигнала по укаэанной причине изменяется спектр зонцируюшего сигнала, что ведет к появлению црейфа нуля (цополнительо ной аццитивной погрешности).

Наиболее близким по технической сушности к прецлагвемому является извест-. ное устройство для измерения малых при«

50 решений емкости и инцуктивности, основанное на периодическом сравнении цвух поочерецно ввоцимых в измерительный тракт сигналов с синхронным стробированием информационного низкочвстот55 ного сигнала и соцержвшее высокочастотный генератор, измерительный и образцовый датчики, коммутатор, поцвижный контакт которого соединен с времязецанзшей цепью высокочастотного генераторе, в цва неподвижных кон гактв соециненыс пер."ыми вывоцами соответственно измерительного и образцового цатчиков, вторые вывоцы которых соецинены с кор. пусом устройства, послецоввтельно соециненные частотный цетектор, вхоп которого соецинен с выхоцом высокочастотного генератора, избирательный высокочвстотный усилитель, прерыватель, синхронный цетектор и инциквтор, а также коммутационный генератор, выхоц которого соецинен с опорным вхоцом синхронного цетектора и с цепью управления коммутатора, и последовательно соединенные удвоитель чес".,îòû, вхоп которого соецинен с выходом коммутационного генератора, и оцновибрвтор, выхоц которого соединен с цепью управгения прерыветеля (2)

Оцнако известное устройство не обладает достаточной точностью измерения из-за наличия коммутационных помех, возниквюших на входе честотного цетектора и прохоцяших через весь усилительный контакт с большим коэффициентом усиления, необхопимым при измерении малых значений входного информативного параметра, что привоцит к перегрузке и срыву устойчивости усилителя, охваченного, как правило, обратными связями, в цепь стробироввния вырезания" коммутационных помех прерывателем в каждый из полупериоцов частоты коммутации включает только звено с малым коэффициентом (синхронный цетектор), к тому же использование прерывателя цля стробироввния на выхоце измерительного тракта привоцит к собственным коммутационным помехам, а нестабильность скважности привоцит к изменению первой гармоники частоты коммутации, несушей информацию о вхоцном измеряемом параметре. Кроме того, нестационарность спектра помех коммутатора вецет к возникновению вццитивной погрешности измерения.

Пель изобретения — повышение точности измерения малых значений внесенного импецанса.

Е1остввленная цепь цостигается за счет того, что в измеритель перемет ров цизлектриков и провоцяших срец, соцержвший высокочастотный генератор, измерительную ячейку, измерительный и образцовый цатчики, первый коммутатор, поцвижный контакт которого соецинен с вхоцом измерительной ячейки, в цва не1051456 4

1О

30

45 поцвижных контакта соецичены с первыми вывоцами соответственно измерительного и образцового датчиков, вторые выводь которых соединены с корпусом устройства, коммутационный генератор, послецовательно соединенные усилитель постоянного тока и инцикатор, введены моцулятор, пва встречно включенных вентиля, второй коммутатор, интегратор, квапратчрный Ьазоврашатель,делитель частоты, причем сигнальный и мопулируюший входы моцулятора соединены с выходами соответсгвенно высокочастотного и коммутационного генераторов, входы вентилей соецинены с выхопом измерительной ячейки, непоцвижные контакты вгорого коммутатора соединены соответственно с выходами вентилей, вход интегратора соепинен с поцвижным контактом второго коммутатора, а выхоп — c вхоцом усилителя постоянного тока, вход квацратурного фазоврашателя соепкнен с выходом коммутационного генератора, а выход — с входом пелителя частсты, выхоп которого соединен с управляюшкмк вхоца м и ком му та то ров.

На фиг. 1 препставлена блок-схема измерителя; на фиг. 2 O- g сплошными линиями изображены эпюры напояженкй на выхоце коммутационного генератора, модулятора, квапратурного фазоврашате ля, делителя час тоты, изме ри тел ьной ячейки, на вхопе и выходе интегратора соответственно, а также паны эпюры выходных напряжений вхоцной цепи формирования импульсов (фиг. 2 ф ) в делителе частоты и входного инерционного звена (пунктирная линия на фиг. 2 ) в инцикаторе. Причем цля простоты графического изображения эпюры гармонических сигналов (несуших и огибаюших синусоицальных напряжений фиг. 2 9 — - 6, б кЖ".репставлены в виде пилообразных

«ривых.

Измеритель параметров пиэлектриков и провопяших срец, сопержит коммугационный генератор 1, высокочастотный генератор 2, моцулятор 3, квадратурный фазоврашатель 4, измерительную ячейку 5, первый коммутагор 6, делитель 7 частоты на 2 Vl (Vl - целое число; на фиг. 2 условно приня.то 1 1=2), измерительный датчик 8 с контролируемым объектом, образцовый датчик 9, вентили 10 и 11, второй коммутатор 12, интегратор 13, усилитель 14 постоянного тока и инцикатор 15.

Измеритель работает слецующим об» разом.

ГЗыхоцные сигналы с коммутационно» го 1 и высокочастотного 2 генераторов попаются соответственно на мопулкруюшкй и сигнальный вхоп моцулятора 3, гце в результате их взаимодействия образуе тся амплигуцно-модулированное напряжение, подаваемое в . качестве зонпкруюшего сигнала на измерительную ячейку 5. Коэффициент преобразования модулятора 3 согласован с уровнем йесушего сигнала, в качестве которого служит гармоническое напряжение частоты (д с выхопа высокочастотного генерато„:а 2, и с уровнем моцулируюшего сигнала, в качестве которого исполь»зуегся гармоническое напряжение частоты Я (? i<(d) коммутационного генератора 1 (фкг. 2 (3 ) таким образом, чтобы выходной амплитуцно-модуляционный сигн ; модуля t.opa 3 (фкг. 25) имел коэффициент амплкгуцной моцуляцки равный кли близкий к ецкнице

100"о-ная моцуляцкя (степень пркблк>кепкя завкскт от нестабильностей взаимо ейсгвуюшкх сигналов).

Измерительная ячейка может быть выполнена в виде колебательного контура, настроенно "o относительно несушей частоты Ы так, чтобы его рабочая точка при подключении через первый коммутатор 6 кзмерктельного 8 кли образцового 9 патчпког., нахопилась на линейном участке резонансной характеристики, Настота коммутации датчиков формируется кз выходного напряжения коммутационного генератора 1, которое, поступая на квапратурный фазоврашатель 4, приобретает пополнктельный фазовый сдвиг равный 90 (фкг. 2 n ) к с вы0 ) хопа фазоврашателя лопается на вхоцные цепи делителя 7 частоты 2 И-кратного деления, гае из гармонического наи ряжен кя час то ты 2 фо рм и руе гс я сна чала прямоугольное напряжение той же частоты (фкг. 2 2 ), которое затем преобразуется в прямоугольное напряжение (фиг. 2$) частоты Я j 2 И (й- целое число) и используется пля синхронного управления работо коммутаторов 6 и 12. Фазовый спвиг моцулкруюшего сигнала на

90 и деление его частоты в четное

С число раз (2Г1) привоциг к тому, что переключение первого коммутатора G будет происхопкть в те моменты времени, когца несушее напряжение частоты зонцируюшего сигнала (амплитупноМопулированного) равно кли близко @ му

456

3 1051 лю (фиг. 2о и g ), Поэтому коммутационная помеха (на эпюрах не показана), являюшаяся функцией амплитуды и фазы коммутируемого сигнала, также стремится к нулю (в зависимости от глубины 5

У моцуляции несушего напряжения в моменты переключения датчиков).

Поочередное подключение измери-. тельного 8 и образцового. 9 датчиков О к измерительной ячейке 5 приведет за счет вносимого импедвнса датчиков к периодическому с час готой Q / 2 ц изменению частоты настройки контура (коэффициента передачи измерительной ячейки) и к совмешению рабочей точки по склону его резонансной характеристики„вследствие чего появится дополнительная амплитудная модуляция напряжения зонцируюшего сигнала с частотой модуляцииЯ/2Ч (фиг. 2 8 ), причем информативным параметром (дважды) амплитудно-модулированного сигнала измерительной ячейки является амплитуда низкочастотной огибаюшей, т.е. амплитуда новой моцулируюшей функции частоты Q (2и, пропорциональная разности реактивных импедансов цатчиков, зависяшей от свойств объекта измерения, внесенного в поле измерительного датчика. При этом прецполагается, что собственные импецансы измерительного 8 и образцового 9 датчиков эквивалентны и в одинаковой мере влияют нв импецанс измерительной ячейки (датчики выполнены с минимальными потеря35 ми, конструктивно ицентичны и соецинены по цифференциальной схеме).

Каждый из встречно включенных вентилей 10 и 11 из сложного амплитудномоцулированного сигнала вьщеляет полуволны синусоиды несушей ча=тоты (d опной,полярности, например, вентиль 10 выделяет только полуволны положительной полярности, а вентиль 11 — отрицательной и в результате поочередного под45 ключения их выходов с помошью второго коммутатора 12 к интегратору 13 на вхоце послецнего формируется периодичес.кая последовательность пакетов положительных и отрицательных полуволн синусоицы высокой частоты 6д (фиг. 2 А ).

Периоц следования пакетов зацается напряжением, поступаюшим на управляюший вход второго коммутатора с целил ) геля 7 частоты, и равен ч и Пlg, соответственно длительность оцного пакета равна 3 lie/g, а твк как первый и второй коммутаторы 6 и 12 управляются синхронно оцним напряжением, то среднее значение пакетного напряжения за полупериод коммутадии, зависяшее от среднего значения амплитуды несушей частоты 1 (сложного амплитудно-модулированного сигнала) за тот же полупериоп, будет пропорционал ьно им пецансу па тч ика, подключенного к измерительной ячейке 5.

Пе риод иче ское измене н ие знака пакетного напряжения вследствие поочередного подключения встречно включенных вентилей 10 и 11 к входу интегратора 13 приводит к периодическому пе- ° резаряцу накопительного элемента интегратора 13 и появлению на его выходе пульсируюшего напряжения (фиг. 2) сплошная линия), величина пульсации которого при соответствуюгцем выборе постоянной интегрирования2 (ь > - 4Р Г (Я) может быть сведена к величине гораздо меньшей, чем среднее значение выхоцного напряжения интегратора 13.

Необходимо подчеркнуть, что поскольку периоды неинформативной и информативной модулируюгцих функций

{gg J g и 3 1 п Я }",ратны, то среднее за полупериоц коммутации {2 П и g} значение выхоцного напряжения интегратора 13 не зависит от амплитуды (т.е. от глубины мопуляции) цополн итал ьн or о пеинформативного модулируюшего сигнала частоты

Д и зависит только от среднего (за тот же полупериод) значения амплитуды моцулированного сигнала частоты сд, а твк как амплитуда последнего пропорциональна импедансу датчика, подключенного в данный полупериоц коммутации, то за один период коммутации (4 ll ll Р ) среднее значение выходного напряжения интегтагора 13, зависяшее от девиации срецнего значения амплитуды модулированного сигнала (чвстоты (,)) за nepuon37lAl Q, будет пропорционально разности импедансов цатчиков 8 и 9, зависяшей от свойств контролируемого объекта, внесенного в зону чувстви гельности измерительного датчика 8.

Напряжение с выхода интегра..-зра 13 через усилитель постоянного тока 14 подается на входное инерционное звено инциквтора 15, выходное напряжение которого (пунктирная линия на фиг. 2 ), пропорциональное значению внесенного импедансв, зввисяшего от технологичес— ких свойств объекта измерения, регистрируется индикатором.

Таким образом, введение дополнительной моцуляции тестового сигнала га моническим сигпалом при соответству » и поа влиянием коммутациПовышение точности измерения в со четании с низким порогом чувствительносги позволяет использовать измеритель, например цля контроля толщины или равномерности покрытий, толщина которых не должна превышать оптимальную, наносимых как цля зашиты материалов от коррозии, так и аля обеспечения постоянства технологических параметров. При этом с целью свеаения к минимуму влияния свойств основы в образцовый датчик помещается изаелие или образец материала без покрытия. В этом случае измерения толщины покрытия по существу своцятся к измерению между иэаелием и рабочей поверхностью накладного измерительного цатчика. При контроле равномерности покрытия в поле образцового датчика помещается образец основы с заданной оптимальной толщиной покрытия.

7 1061 456 шем выборе соотношения между фаза» ентом передач ми этих сигналои позволяет исключить онных помех. влияние коммутационных помех, связанных с информативной модуляцией, на вхоце изме рител ного тракта.

Кроме того, в преалагаемом измерителе имеется возможность расширения динамического диапазона измерений в сторону малых значений вхоцного информативного параметра (понижение порога чувствительности) эа счет эффекта накопления информативной составляющей сигнала в интеграторе, поскольку случайные составляющие при большом времени интегрирования незначительно искажают выходной сигнал, и за счет увеличения коэффициента передачи цепей усиления, поскольку переключение коммутаторов осушествляется в моменты времени, когда напряжение тестового сигнала равно или близко к нулю, благоааря чему исключается возможность перегрузки усилительных цепей с большим коэффици1 05 1456

Составитель Л. Сотникова

Редактор Т. Портная ехред Д. Ач Корректор М. немчик

Заказ 8658/44 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4