Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3762809/24-21 (22) 28.06.84 (46) 15.01.86. Бюл. N -2 (72) Ю.В.Подгорный, А.В.Немаров, Л.А.Терлецкая и И.Я«Штраль (53) 621.317.75(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

949543, кл. G 01 R 27/26, 1982. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ,„ содержащее высокочастотный генератор, выход которого через резистор связи соединен с емкостным датчиком, включенным в измерительный LC -контур с модулирующими варикапами, модулятор, соединенный с общим выводом модулирующих варикапов, амплитудный детектор, три делителя напряжений и демодулятор, выход которого соединен с входом числителя первого делителя напряжений, выход которого соединен с входом числителя второго делителя напряжений, вход знаменателя которо °

ro связан с выходом амплитудного детектора, вход которого связан с измерительным контуром и входом де„„Я0„„1205069 A (51) 4 G 01 R 27/26 модулятора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены два квадратора, блок извлечения квадратного корня, источник опорного напряжения и два блока вычитания, причем выход амплитудного детектора через первый квадратор связан с входами знаменателя первого и третьего делителей напряжений, выход третьего делителя напряжений связан с первым входом первого блока вычитания, второй вход которого через квадратор связан с выходом второго делителя напряжений, а выход первого блока вычитания через блок извлечения корня — с первым входом второго блока вычитания, второй вход которого связан с источником опорного напряжения.

2. Устройство по п.1, о т л и — ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, источник опорного напряжения соединен с дополнительным выходом высокочастотного генератора.

1205069

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для измерения подверженных быстрым изменениям действительной и мнимой составляющих диэлектричес-, кой проницаемости веществ в различном агрегатном состоянии.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет.. обеспечения одновременного измерения действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости.

Введение двух квадраторов, первого блока вычитания напряжений

15 и блока извлечения квадратного корня позволяет из напряжения с выхода первого квадратора, пропорционального квадрату амплитуды высокочастотного напряжения на измерительном контуре, и напряжения с выхода второго делителя напряжений, пропор, ционального действительной составля1 ющей $ . диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего емкостный датчик, формировать напряжение на входе блока извлечения квадратного корня, пропорциональное квадрату эквивалентной проводимости нагруженного колебательного контура.

Введение источника опорного напряжения и второго блока вычитания позволяет выделять из напряжения на выходе блока извлечения квадратного корня напряжение, пропорциональ 3g

И ное мнимой составляющей,E диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего емкостный датчик, исключая проводимость, эквивалентную собственным потерям в элеметнах на- 40 груженного колебательного контура.

Напряжение на выходе второго блока вычитания является мерой мнимой соЦ . ставляющей.E. диэлектрической проницаемости. 45

Введение связи входа источника опорного напряжения с дополнительным выходом высокочастотно -о генератора дополнительно повышает точность

И измерения Е за счет исключения 5О погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды генератора, На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит высокочастотный генератор 1, резистор 2 свя зи, емкостный датчик 3, катушку 4 индуктивности, модулирующие варикапы 5, модулятор 6, демодулятор 7, амплитудный детектор 8, делители 911 напряжений, квадраторы 12 и 13, блоки 14 и 15 вычитания, блок 16 извлечения. квапратного корня и источник 17 опорного напряжения.

С измерительным контуром, содержащим катушку 4 индуктивности, емкостный датчик 3 и модулируищие варикапы 5, связаны входы демодулятора 7 и амплитудногс детектора 8 и через резистор 2 выход высокочастотного генератора 1. Выход амплитудного детектора 8 соединен с входом первого квадратора 12 и входом знаменателя второго делителя 10 напряжений, вход числителя которого связан с выходом первого делителя

9 напряжений. Вход числителя делителя 9 напряжений подключен к выходу демодулятора 7, а вход знаменателя— к выходу квадратора 12 и входу знаменателя третьего делителя 11 напряжений. Входы первого блока 14 вычитания напряжений соединены с выходами третьего делителя 11 и второго квадратора 13, вход которого подключен к выходу второго делителя 10.

Выход первого блока 14 вычитания через блок 16 извлечения квадратного корня связан с первым входом второго блока 15 вычитания, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника 17 опорного напряжения. I

Выходом устройства по мнимой « составляющей диэлектрической проницаемости является выход второго блока 15 вычитания напряжений, а выходом по действительной Е составляюшей диэлектрической проницаемости — выход второго делителя 10.

Устройство работает следующим образом.

С высокочастотного генератора 1 через резистор 2 связи напряжение поступает на измерительный 1-С -контур. Аналитически амплитуда напряжения О на контуре определяется модулем коэффициента передачи A являющегося функцией параметров измерительной схемы,, в т.ч, емкости контура и проводимости, эквивалентной потерям в исследуемой пробе, заполняющей емкостный датчик -3, т.е. 205069 где Z. или откуда

30 (35 или — полное сопротивление измерительного контура, — сопротивление резистора 2 связи, ! — амплитуда ЭДС генератора, ((=((+R,((„("(-a LcI .,, ) (i) "где L,. — индуктивность катушки 4

C — полная емкость контура, равная сумме емкостей датчика 3 и модулирующих варикапон 5.

Модуля".ор 6 периодически изменяет емкость варикапов 5 на величину

С„ . Вследствие зависимости величины А от величины емкости модулирующих нарикапов 5 высокочастотное напряжение на контуре модулируется по амплитуде. Демодулятором 7 выделяется низкочастотная (частоты модуляции) огибающая ВЧ-напряжения на измерительном контуре. Ясли изменение 1м емкости модулирующих варикапон 5 удовлетворяет условию

Г„(<"/Р!,, то амплитуда модуляции выI сокочастотного напряжения на контуре пропорциональна первой производной модуля коэффициента передачи.

dA

g =E — С„(3) (л с1с

Первая производная модуля А по емкости (крутизна резонансной характеристики) определяется выражением

dA !.мЭ ЬС, г 1

dc (д Р(С,-C)R, Ä, (4) где C (= — значение емкости контура, соответствующее резонансу, Из уравнений (1), (3) и {4) получаем выражение, связывающее откло нение 4С емкости контура с т резонансного значения с напряжениями на выходах демодулятора 70м и амплитудного детектора 8 U

ЛС=с„-с =S ц (Б),":,е S — крутизна преобразования

1 г (6) С, К

С выхода амплитудного детектора 8 напряжение " через квадратор !2!

О

55 поступает на вход знаменателя делителя 9 напряжений, на вход числителя которого приходит напряжение U„ с выхода демодулятора 7. С выхода делителя 9 напряжений напряжение, грапорциональное отношению ""/ö i поступает на вход числителя делителя

10 напряжений, на второй вход которого подается напряжение с выхода амплитудного детектора 8. В результате на выходе делителя 10 в соответствии с уравнением (5) формируется напряжение, пропорциональное отклонению Ь С=С(-С емкостИ контура от резонансного значения. Если при незаполненном датчике контур настроить в резонанс, то после заполнения датчика напряжение на выходе делителя 10 будет пропорционально величине (-1)„ где — действи1 I тельная часть диэлектрической проницаемости исследуемой пробы.

Уравнение (2) можно записать в ниде

Е, (! „) м(с,с)я, —.+ х) = — — - > (c -с) (8)

6 г z д. Х) - р.г

Далее с Учетом выражения (5) получаем аналитическое выражение для проводимости (! „, эквивалентной потерям в исследуемом образце

Сигнал, пропорциональный 0 формируется следующим образом.

Выходное напряжение квадратора 12 поступает на вход знаменателя делителя 11 и далее на суммирующий вход блока 14 вычитания. Выходное напряжение делителя 1О, пропорциональное

О„!(,з, через квадратор 13 поступает на вычитающий вход блока 14. В результате на выходе блока 14 вычитания формируется сигнал, пропорциочальный подкоренному выраж нию формулы (9), который через блок. 16 извлечения корня квадратного посту- пает на первый вход второго блока

15 вычитания напряжений, второй вход которого связан с источником

17 опорного напряжения. Уровень опорного напряжения регулируется по отсутствию напряжения на выходе

1205069

Составитель В,Стукан

Редактор А.Лежнина Техред С Мигунова

Корректор Г.Решетник

Заказ 8523/47 Тираж 747

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород„ ул, Проектная, блока 15 при пустом емкостном датчике 3. В результате на выходе блока 15 в соответствии с уравнением (9) формируется напряжение, пропорциональное проводимости „, эквивалентной потерям в исследуемой пробе.

Учитывая, что мнимая составляющая Я диэлектрической проницаемости связана с проводимостью соотношением = " где C — ра° . иФСк! !

1

l оочая емкость датчика 3, то при неизменных частоте генератора и рабочей емкости датчика 3 выход блока 15 может быть проградуирован в значениях мнимой составляющей диэлектрической проницаемости.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет наряду с действительной составляющей Е измерять

tl и мнимую составляющую Р при сохранении высокой точности и быстродействии.