Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов

 

Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано при созданрш чувствительных емкостных датчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений, измерителей параметров конденсаторов, Цель изобретения - повьшение чувствительности измерителя диэлектрических параметров материалов. Для достижения этой цели в устройство до-, полнительно введены амплитудный модулятор 11 и блок 9 импульсных команд . Устройство также содержит измерительный мост 1, два плеча которого образованы элементами 2 и 3, третье плечо - элементами 4 и 5. В четвертое плечо включается либо измерительный конденсатор 6, либо эталорный конденсатор 7. В устройстве имеются коммутатор 8,. генератор 10 высокой частоты, усилитель 12 высокой частоты, фазовые детекторы 13 и 14, фазовращатели, 15 и 16,усилители 17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19 и 20, регистратор 21 и 22. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (584 С 01 К 27 26

Р д (3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3408594/24-21 (22) 19.03.82 (46) 07.04.87. Бюл. Р 13 (71) МГУ им, М,В. Ломоносова (72) А,A. Белов (53) 621.3 17.75(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 443336, кл. Г 01 R 27/26, 1972.

Авторское свидетельство СССР N 851285, кл, Г 01 R 27/26, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ЛЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано при создании чувствительных емкостных датчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений, измерителей параметров конденсаторов.

„. SU„„ A1

Цель изобретения — повьппение чувствительности измерителя диэлехтрических параметров материалов, Для досгижения этой цели в устройство до-, полнительно введены амплитудный модулятор 11 и блок 9 импульсных команд, Устройство также содержит измерительный мост 1, два плеча которого образованы элементами 2 и 3, третье плечо — элементами 4 и 5. В четвертое плечо включается либо измерительный конденсатор 6, либо эталогный конденсатор 7, В устройстве имеются коммутатор 8,. генератор 10 высокой частоты, усилитель 12 высокой частоты, джазовые детекторы 13 и

14, фазовращатели 15 и 16,усилители

17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19 и 20, регистратор 21 и

22. 1 з,п. ф-лы, 5 ил, 1 1 022

Изобретение относится к измерению диэлектрических параметров материалов и может быть использовано при создании чувствительных емкостных датчиков, измерителей активного, реактивного и полного сопротивлений, измерителей параметров конденсаторов.

Цель изобретения — повышение чувствительности измерителя диэлектрических параметров материалов.

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — эпюры, попоясняющие поедовательность во вре. 15 времени процессов, происходящих в устройстве; на фиг. 3 — эпюры, пояс» няющие устранение помех, возникающих в процессе работы коммутатора; на фиг. 4 — блок-схема блока импульсных команд; на фиг. 5 — эпюры, поясняющие работу блока импульсных команд.

Основным узлом устройства является измерительный мост 1. Два плеча

1 25 этого моста образованы элементами 2 и 3, имеющими одинаковые комплексные сопротивления. В качестве таких элементов могут быть использованы, например, два одинаковых конденсатора или две одинаковые катушки индуктивности, Третье плечо моста состоит из переменного резистора 4 и переменно-: го конденсатора 5. В четвертое плечо моста с помощью коммутатора подключается либо измерительный конденсатор 6, либо эталонный конденсатор 7..

Помимо измерительного моста 1 устройство содержит коммутатор 8, блок 9 импульсных команд, генератор 10 высокой частоты, амплитудный модулятор, 40

11, усилитель 12 высокой частоты, фазовые детекторы 13 и 14, фазовращатели 15 и 16, усилители 17 и 18 низкой частоты, синхронные детекторы 19 и 20 и регистраторы 21 и 22, 45

Устройство работает следующим образом.

В одно и то же плечо моста 1 с помощью коммутатора 8 поочередно и на равные промежутки времени подключаются либо измерительный конденсатор

6, либо эталонный конденсатор 7. Коммутатор 8 управляется импульсами напряжения, поступающими от блока 9 импульсных команд, Форма импульсов напряжения, управляющих работой коммутатора, показана на эпюре I (фиг.2).

Каждая эпюра (фиг. 2 и 5) показы 13 ет зависимость напряжения,от времени.

Эти импульсы имеют прямоугольную форму и скважность, равную двум. Во время действия управляющего импульса коммутатор подключает к мосту измерительный конденсатор, во время паузы между импульсами коммутатор подключает к измерительному мосту эталонный конденсатор, Высокочастотное напряжение, питающее измерительный мост, поступает от генератора 10 высокой частоты через амплитудный модулятор

11. Последний управляется импульсами, поступающими от блока 9 импульсных команд, и осуществляет стопроцентную амплитудную модуляцию.

Форма импульсов, управляющих модулятором, показана на эпюре II (фиг. 2). Частота следования импульсов, управляющих модулятором, вдвое выше частоты импульсов, управляющих работой коммутатора. Относительное . положение во времени импульсов, управляющих коммутатором и модулятором, таково, что процесс переключения из- мерительного и эталонного конденсаторов совершается во время паузы между импульсами, управляющими модулятором, т.е, в те интервалы времени, когда высокочастотное напряжение на измерительный мост не подается,,Ппительность этой паузы выбирается достаточной для того, чтобы процесс переключения коммутатора полностью за.1 вершился за время паузы.

Таким образом, благодаря использованию амплитудного модулятора и согласованию работы амплитудного модулятора и коммутатора, высокочас» тотное напряжение подается на изме" рительный мост только в те интервалы времени, когда никаких переключе-. ний в схеме моста не происходит, Когда происходит переключение изме" рительного и эталонного конденсаторов, высокочастотное напряжение к измерительному мосту не подается.

Это позволяет избавиться от мощного импульса помех, возникающего в Hsвестных устройствах в процессе пере ключения коммутатора.

Эпюры (фиг. 3) показывают зависи мость амплитуды колебаний от време" ни. На эпюрах I u II (фиг. 3) показаны соответственно графики изменения во времени амплитуды высокочастотного напряжения, питающего мост, и напряжения на выходе моста в из3 13 вестных устройствах, не использующих амплитудный модулятор. В отсутствие модулятора высокочастотное напряжение, питающее измерительный мост, подводится к нему непрерывно. Поэтому на эпюре I (фиг. 3) график зависимости от времени амплитуды напряжения, питающего мост, представляет собой прямую линию, Как отмечалось, время переключения коммутатора имеет конечную величину. В течение этого времени в зависимости от конструкции коммутатора к измерительному мосту либо не подключен ни измерительный, ни эталонный конденсаторы, либо подключены оба. В обоих случаях во время переключения происходит сильное нарушение баланса моста, из-за чего амплитуда напряжения на выходе моста резко увеличивается. При этом формируется мощный импульс помех. Эти импульсы помех обозначены на эпюре II (фиг. 3) буквами а . Импульсы помех вызывают кратновременную перегрузку измерительного тракта и интенсивные переходные процессы как в измерительном мосту, так и в узлах устройства, следующих за измерительным мостом.

Переходные процессы обозначены на эпюре II (фиг. 3) буквами о . Только по окончании переходных процессов амплитуда колебаний на выходе моста принимает значение, соответствующее параметрам конденсатора, подключенного к мосту, Поскольку импульсы помех имеют большую величину, то пере— ходные процессы, следующие за импуль сами помех, имеют высокую интенсивность и значительную продолжительность„

Иное положение при использовании модулятора. На эпюрах III u IV (фиг. 3) показаны соответственно гра фики изменения во времени амплитудывысокочастотного напряжения, питающего мост, и напряжения на выходе моста при использовании амплитудного модулятора, Зависимость от времени амплитуды напряжения, питающего измерительный мост, при использовании модулятора имеет такой же вид, как и импульсы, управляющие работой модулятора, показанные на эпюре,II (фиг, 2). При использовании модулятора высокочастотное напряжение отключается от измерительного моста в течение всего времени переключения

02213 4 коммутатора, Поэтому кратковременный хотя и сильный разбаланс моста во время переклЮчения коммутатора не мо жет вызвать появления напряжения на выходе моста. Вследствие этого мощный импульс помех, который без модулятора формируется во время переключения коммутатора, теперь отсутствует, а напяжение на выходе моста

10 во время переключения коммутатора равно нулю.

Уменьшение выходного напряжения измерительного моста до нуля перед переключением коммутатора, и увеличение выходного напряжения измери15 тельного моста до стационарного значения после переключения коммутатора сопровождаются переходными процессами, обозначенными на эпюре IV (фиг,3) модулятора существенно меньше интенсивности переходных процессов в отсутствие модулятора, обозначенных

25 буквами 8 на эпюре II (фиг, 3), Снижение интенсивности переходных процессов при использовании модулятора обусловлено тем, что в этом случае пределы изменения амплитуды колеба30 ний на выходе моста во время переходног о процесса оказываются намного меньше, чем пределы изменения амплитуды во время переключения коммутатора без использования модулятора. Это объясняется тем, что при использовании модулятора амплитуда колебаний на выходе моста во время переходного процесса увеличивается от нуля до стационарного значения, соответству35

40 ющего разбалансу моста при условии, что к нему подключен какой-либо один конденсатор: либо эталонный, либо измерительный. В обоих случаях при проведении измерений мост приблизитель45 но сбалансирован и амплитуда напряжения на выходе моста оказывается намного меньше, чем при переключении коммутатора в отсутствие модулятора, когда разбаланс моста имеет очень

50 большую величину, так как к нему либо не подключен ни измерительный, ни эталонный конденсаторы, либо подключе ны одновременно оба конденсатора .

Из-за меньшей интенсивности переходных процессов при использовании модулятора должно быть меньше и время затухания переходного процесса до пренебрежимо малого уровня, 20 буквами 6 . Однако интенсивность переходных процессов при использовании

1302213

Таким образом, использование модулятора дает два преимущества: вопервых, устраняется мощный импульс помех, обусловленный кратковременным, но сильным разбалансом моста во время переключения коммутатора, и, во-вторых, сокращается интервал времени, в течение которого переходные процессы, сопровождающие нарас тание и спад амплитуды колебаний на выходе моста, имеют существенную интенсивность. Последнее обстоятельство облегчает устранение помех от переходных процессов, Эти помехи устраняются при синхронном детектировании, Напряжение с выхода измерительного моста поступает на усилитель 12 высокой частоты, а затем подается . на два фазовых детектора 13 и 14, Опорное напряжение на управляющие входы фазовых детекторов подается от генератора 10 через фазовращатели 15 и 16, Сдвиги фаз, вносимые фазовращателями 15 и 16, подбираются таким образом, чтобы напряжение на выходе одного фазового детектора,. например 13, было пропорционально разности реактивных сопротивлений эталонного и измерительного конденсаторов, а выходное напряжение второго фазового детектора 14 пропорци онально разности активных сопротивлений, 2р

Выходные напряжения фазовых детекторов усиливаются усилителями 17 и 18 низкой частоты, и поступают на синхронные детекторы 19 и 20, При синхронном детектировании устраня- 4р ются помехи от переходных процессов, сопровождаюших нарастание и спад амплитуды колебаний на выходе измерительного моста. С этой целью блок импульсных команд вырабатывает спе-. циальные импульсы напряжения, управляющие работой ключей синхронных детекторов. Форма этих импульсов показана на эпюрах ТТТ и IV (фиг. 2).

Эти импульсы следуют с частотой ком- 5р мутации измерительного и эталонного конденсаторов. Импульсы, управляющие синхронным детектором, начинаются позже импульсов, управляющих модулятором, а заканчиваются раньше последних.Благодаря этому синхронные детекторы подключаются к усилителям низкой частоты после .того, как перехопные процессы, вызванные увеличением амплитуды высокочастотного напряжения от нуля до стационарного значения, затухнут, а отключаются от усилителей низкой частоты до того, как начнутся переходные процессы, вызванные уменьшением амплитуды высокочастотного напряжения перед очередным переключением измерительного и эталонного конденсаторов. Это можно сделать благодаря тому, что использование амплитудного модулятора позволяет сильно уменьшить интенсивность переходных процессов и тем самым сократить время их затухания б до пренебрежимо малой величины.

Подключение синхронных детекторов к усилителям низкой частоты только в те интервалы времени, когда переходные процессы затухли и не могут повлиять на результат измерения, позволяет устранить помехи от переходных процессов и тем самым повысить чувствительность и точность измерений.

Напряжение с выхода синхронных детекторов подается на регистраторы 21 и 22, Блок 9 импульсных команд (фиг. 4) состоит из мультивибратора 23, триггера 24, выходной клеммы 25, интегратора 26, компаратора 27, входной клеммы 28, элементов 2И 29 и 30, выходных клемм 31 и 32, компаратора 33, входной клеммы 34 компаратора и выходной клеммы 35.

Блок импульсных команд работает следующим образом. Мультивибратор

23 вырабатывает прямоугольные импульсы, форма которых показана на эпюре

Т (фиг, 5). Эти импульсы поступают на триггер 24. Форма импульсов напряжения на выходах триггера показана на эпюрах II u III (фиг. 5). Напряжение с первого выхода триггера 24 подается на выходную клемму 25 и используется для управления коммутацией измерительного и эталонного конденсаторов.

Напряжение с выхода мультивибратора 23 подается на вход интегратора 26. Форма напряжения на выходе инI тегратора показана на эпюре ТЧ (фиг, 5). Это напряжение подается на один из входов компаратора 27. На другой вход (клемма 28) компаратора

27 подается постоянное по величине напряжение Е . Напряжение на выходе компаратора 27 имеет вид прямоугольных импульсов. Фронты последних соот.

13022

Предположим, что используется вторая возможность. В этом случае коэффициент усиления усилителя высокой частоты уменьшается до тех пор, пока показания регистраторов 21 и 22 не начнут изменяться. Изменение показаний регистраторов означает, что сигналы на выходе синхронных детекторов зависят от коэффициента усиления измерительного тракта,.и, следовательно, последний не насыщен, Дальнейшая настройка прибора осуществляет9 ся методом последовательных прибли 1жений, Параметры эталонного конденсатора подбираются таким образом, чтобы напряжение, индицируемое регистраторами, стало небольшим, но не равным нулю, например, чтобы оно составляло десятую часть от максимальной величины, которую может индицировать регистратор. Наличие напряжения на вьгходе измерительных каналов свидетельствует о том, что параметры измеряемого и эталонного конденсаторов не равны, и поэтому последовательное замещение измеряемого и эталонного конденсаторов, осуществляемое коммутатором, сопровождается модуляцией напряжения на выходе моста.

15

Пилообразное напряжение с выхода 25 интегратора .26 подается также на один из входов компаратора 33. На другой вход компаратора подается постоянное напряжение E.. Форма импульсов напряжения на выходе компа- 30 ратора 33 показана на эпюре VIII (фиг. 5) ° Импульсы с выхода компаратора 33 подаются на клемму 35 и служат для управления амплитудным модулятором.Необходимую длительность импульсов, управляющих работой синхронных детекторов и амплитудного модулятора, устанавливают, изменяя величины постоянных напряжений Е, и

Е на входных клеммах 28 и 34 ком- 40 параторов 27 и 33. ветствуют моментам времени, в которые мгновенные значения пилообразного напряжения на выходе интегратора сравниваются с постоянным напряжени. ем Е,, Форма напряжения на выходе компаратора 27 показана на эпюре

> (фиг. 5) . Длительность импульсов на выходе компаратора 27 можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения Е, . Импульсы напряжения с выхода компаратора 27 подаются на один из входов каждого из двух логических элементов 2И 29 и 30, осуществляющих логическую операцию

"2И". На другие входы этих элементов подаются импульсы с выходов триггера 24, Форма импульсов напряжения на выходе логических элементов 2И

29 и 30 показана на эпюрах VI u VII (фиг. 5). Эти импульсы подаются на клеммы 31 и 32 и используются как опорное напряжение, управляющее синхронными детекторами, Измерения с помощью устройства выполняются следующим образом. Измерительный конденсатор заполняется исследуемым веществом и подключается к прибору. В общем случае в начальный момент времени параметры измерительного и эталонного конденсаторов не равйы, и мост разбалансирован, Вследствие раэбаланса моста и большого различия величин параметров измерительного и эталонного конденсаторов выходное напряжение моста может быть столь большим, что какие-либо элементы измерительного тракта могут оказаться в насыщении, Для того, чтобы избежать этого, можно, например, уменьшить либо ампли13 Я туду генератора 10 высокой частоты, либо коэффициент усиления усилителя

12 высокой частоты.

Затем, изменяя емкость переменного конденсатора 5 и сопротивление геременного резистора 4, образующих одно из плеч измерительного моста, добиваются максимума показаний регистраторов на выходах измерительных каналов ° Иэ теории мостовых схем известно, что изменение параметров деталей мостовой схемы вызывает наибольшее изменение напряжения на выходе моста в том случае, если мост приблизительно сбалансирован, Поэтому, если изменять параметры переменного конденсатора 5 и переменного резистора 4, образующих одно из плеч измерительного моста, наиболее глубокая модуляция напряжения на выходе моста, а значит и наибольшее напряжение, индицируемое регистратораМи, будут соответствовать таким значениям емкости переменного конденсатора

5 и сопротивление переменного резистора 4, при которых мост приблизительно сбалансирован, 13

9 13022

На этом заканчивается первое приб. лижение к оптимальной настройке измерителього прибора, При этом обеспечивается приближенное равенство параметров измерительного и эталонного конденсаторов и приближенная балансировка моста. После окончания настройки в первом приближении коэффициент усиления усилителя 12 высо" кой частоты немного увеличивают и 10 весь процесс настройки повторяется во втором приближении при увеличенном значении коэффициента усиления усилителя 12. Таким образом, постепенно увеличивая коэффициент усиле ния усилителя высокой частоты, доводят его до такого значения, которое необходимо для проведения измерений.

Затем параметры эталонного конденсатора подбирают таким образом, что 20 бы напряжение, индицируемое регистраторами, обратилось в нуль. Это оз начает, что как емкости, так и активные сопротивления эталонного и измерительного конденсаторов совпадают.

Равенство параметров эталонного и измерительного конденсаторов фик-сируется с наибольшей точностью при условии, что правильно установлены сдвиги фаз, вносимые фазовращателями

15 и 16.

Правильную установку сдвигов фаз, ВнОсимых.фазовращателями мОжнО например, выполнить следующим образом. Вместо измерительного конденса- тора к прибору подключается какойлибо конденсатор с известными параметрами. Параметры эталонного кон- 40 денсатора 7 устанавливаются равными параметрам подключенного конденсатора, и мост балансируется методом последовательных приближений, однако теперь балансировка осуществляется 45 только эа счет изменения переменного резистора 4 и конденсатора 5. Па- . раметры эталонного конденсатора не изменяются, После того, как мост сбалансирован, нужно немного изменить емкость эталонного конденсатора 7. Из-эа этого показания регистраторов станут отличаться от нуля. После этого следует изменять фазовые сдвиги фазовращателей 15 и 16, добиваясь того, чтобы показания одного регистратора стали максимальными, а второго — равными нулю. При такой настройке фазовращателей показания одного регистратора пропорциональны разности емкостей эталонного и изме. ряемого конденсаторов, а показания второго регистратора пропорциональны разности активных сопротивлений эталонного и измеряемого конденсаторов. Именно такая настройка фазовращателей и является оптимальной, Таким образом, уменьшение до нуля высокочастотного напряжения, питающего измерительный мост, во время переключения измерительного и эталонного конденсаторов устраняет помехи, возникающие в процессе работы коммутатора. Подключение синхронных де.текторов к выходу усилителей низкой частоты только в те интервалы времени, когда амплитуда высокочастотного напряжения на выходе измерительного моста не.изменяется, исключает шумы, обусловленные переходными про1 цессами, сопровождающими нарастание и спад амплитуды высокочастотного напряжения на выходе моста.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения диэлектрических параметров материалов, содержащее генератор высокой частоты, измерительный мост, коммутатор, усилитель высокой частоты и два измерительных канала, каждый из кото.рых состоит из последовательно соединенных фазового детектора, усилителя низкой частоты и регистратора, при этом управляющий Вход каждого фазового детектора через соответствующий фазовращатель соединен с генератором высокой частоты, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения чувствительности, оно снабснабжено амплитудным модулятором и блоком импульсных команд, при этом выход амплитудного модулятора соединен с измерительным мостом, один вход — с генератором высокой часто" ты, а другой — с одним из выходов блока импульсных команд, три других выхода которого соединены соответственно с управляющими входами коммутатора и двух синхронных детекторов..

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок импульсных команд содержит последовательно соединенные мультивибратор и триггер, выходы которого соединены с одними из входов двух элементов 2И, ll l3022l3 12 другие входы которых соединены с вы- с одним из входов первого и второго ходом первого компаратора, а выход компараторов, другие входы которых мультивибратора соединен с входом соединены с выходами источников посинтегратора, выход которого соединен гоянного напряжения.

Уиг. 2

1302213

4Ьг. 4

Составитель Л. Сорокина

ТехРед Л. Сердюкова КоРРектоР. А. Ильин

Редактор Н. Тупица

Тираж 731 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 1214/45

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4