Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов

 

Изобретение относится к радиотехническим измерениям. Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей путем обеспечения измерений дипольного момента молекул. Устройство содержит СЪЧ г-ры 1 и 2, смеситель 3, блоки 4 и 5 АПЧ, управляемые аттенюаторы 6-8, частотомер 9, ЦАП 10, блок П задания исследуемого вещества , решающий блок 12, блоки 13 и 14 регулирования СВЧ-мощности, измеритель отношений 15, блок 16 умножения , блок 17 задания коэф., опорный резонатор 18, измерительный резонатор 19, СВЧ-детекторы 20 и 21 блок 22 сравнения,.индикатор 23, индикатор 24 времени релаксации, формирователь 25 управляющего сигнала, делители 26 и 27 мощности, направленные ответвители 28 и 29, термостат 30. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. сл &0 СХ) со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (51) 4 G 01 R 27/26 f.= уф

Ф( J$ф - л, 1г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3775353/24-09 (22) 17.07.84 (46) 23.06..87. Бюл.)1 23 (71) Сибирский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института физико- технических и радиотехни ческих измерений и Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я.Карпова (72) А.А.Потапов, С.И.Войтов и И. П.Гольдштейн, (53) 621.317.335.3(088.8) (56) Брандт A.À. Исследование диэлек. триков на сверхвысоких частотах. М.:

Физматгиз, 1963, с.244-258.

Авторское свидетельство СССР

Ф 983581, кл. G О1 R 27/26, 1981. (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ВРЕМЕНИ РЕЛАКСАЦИИ МОЛЕКУЛ РАСТВОРОВ (57) Изобретение относится к радиотехническим измерениям. Цель изобретения — повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей путем обеспечения измерений дипольного момента молекул. Устройство содержит СВЧ г-ры 1 и 2, смеситель 3, блоки 4 и 5 АПЧ, управляемые аттенюаторы 6-8, частотомер 9, ЦАП

10, блок 11 задания исследуемого вещества, решающий блок 12, блоки 13 и 14 регулирования СВЧ-мощности, измеритель отношений 15, блок 16 умножения, блок 17 задания коэф., опорный резонатор 18, измерительный резонатор 19, СВЧ-детекторы.20 и 21, блок 22 сравнения,.индикатор 23, ин- @ дикатор 24 времени релаксации, формирователь 25 управляющего сигнала, делители 26 и 27 мощности, направ- С ленные ответвители 28 и 29, термостат 30. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. !

1 1318937

Изобретение относится к радиотех= ническим измерениям и может использоваться для измерений времени релаксации дмщуьных моментов, а также к„ ь, параь !ров МЪю4олекулярного взаимо.дейс ция.: Ф еМь изобретения — повьппение точно ф„ иф4@ффний и расширение функционйфных фэможностей путем обеспечещ яййзмерМний дипольного момента мо/ лекал,.!

/ а

На фиг.1.приведена структурная

Мщектрическая схема автоматического измерителя комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов; на фиг.2— структурная электрическая схема решающего блока.

Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул раство.ров содержит первый и второй СВЧгенераторы 1 и 2, смеситель 3, два блока 4 и 5 автоматической подстройки частоты (АПЧ), три электрически

25 управляемых аттенюатора 6 — 8, частотомер 9, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 10, блок 11 задания исследуемого вещества, решающий блок 12, два блока 13 и 14 регулирования СВЧ-мощности, измеритель 15 отношений, блок 16 умножения, блок

17 задания коэффициентов, опорный резонатор 18, измерительный резонатор 19, первый и второй СВЧ-детекто- 35 ры 20 и 21 блок 22 сравнения, индикатор 23, индикатор 24 времени релак сации, формирователь 25 управляющего сигнала, первый и второй делители

26 и 27 мощности, первый и второй направленные ответвители 28 и 29, термостат 30, Решающий блок 12 содержит первый, второй, третий и четвертый перемножители 31 — 34, сумматор 35 и блок 36 извлечения квадратного корня.

Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул растворов работает следующим образом.

Формирование выходного сигнала по каналу измерения времени релаксации молекул осуществляется соглас40

55 но формуле

f II о = - — — —,>

2n f дЕ где и Е и ь Е" — приращения действительной и мнимой составляющих диэлектрической проницаемости раствора при введении в измерительный резонатор добавки исследуемого вещества:

f — - рабочая частота.

Формирование приращения ЬЯ входящего в формулу (1), осуществляется на основе преобразования диэлектрическая проницаемость раствора— частота резонатора в соответствии с электродинамическим уравнением о (-о ) (2)

У в котором f, и f — частоты вакуумированного и заполненного раствором резонатора соответственно.

Опорный и измерительный резонаторы 18 и !9, представляющие собой измери отельную ячейку, в исходном состоянии заполнены неполярным растворителем и имеют соответственно частоты и Е„,„ . С помощью блоков АПЧ 4 и 5 частоты СВЧ-генераторов 1 и 2 непрерывно поддерживаются равными частотам соответствующих резонаторов

18 и 19. Частоты СВЧ-генераторов 1 и 2 подаются на смеситель 3, на котором выделяется разностная частота между резонаторами (f „ — f„ ).

С учетом формулы (1),записываемой для опорного 18 и измерительного 19 резонаторов, можно получить (в приближении on f зм м Г ) (3) где Г,„ — диэлектрическая проницаемость неполярного растворителя.

Поскольку частоты генераторов 1 и

2 равны частотам f u f резонаоп торов 18 и 19, то на выходе смесителя 3 частота (f on — йи ) несет информацию о разности диэлектрических проницаемостей растворов в опорной и измерительной ячейках, В исходном состоянии, когда оба резонатора заполнены одним и тем же растворителем (т.е. и Е = 0), частоты резонаторов приблизительно равны. Введение в измерительный резонатор 19 добавки исследуемого вещества с помощью блока 11 приводит к изменению диэлектрической проницаемости раствора (йF ф О), а вызванное этим изменение выходной частоты (fo„

f»„) является количественной мерой ь Е в соответствии с формулой (3), 937 4 где д«с — затухание СВЧ-мощности, выраженное в децибелах; Q „ — добротность измерительного резонатора 19 в исходном состоянии.

В исходном состоянии, когда оба резонатора заполнены,неполярным раст-40 ворителем, добротности резонаторов приблизительно равны Я „, а напряжения на СВЧ-детекторах 20 и 21 устанавливаются одинаковыми. При введении в измерительный резонатор 19 добавки исследуемого вещества, вызывающего дополнительное по отношению к исходному состоянию поглощение

СВЧ-мощности, на СРЧ-детекторе 21 появляется приращение напряжения, которое является мерой приращения дГ в соответствии с форьфлой (5).

Для обеспечения равномерности преобразования д Я" — д «(, в обоих каналах устройства применена стабилизация СВЧ-мощности, которой запиты-. ваются соответствующие резонаторы

18 и 19 с помощью направленных ответвителей 28 и 29, блоков 13 и 14 и

t (Iz (1 +сд с ) (6) 27к Т

4«(E + 2)

3 1318

С выхода смесителя 3 сигнал пода. ется на частотомер 9, на котором ви. зуально отображается текущая разность частот (f„- Е „„„) ° С выхода частотомера 9 сигнал поступает на

ЦАП 10, с помощью которого формирует. ся напряжение, пропорциональное приращению и принимаемое для решения уравнения (1) для . Сигнал с ЦАП

10 поступает на измеритель 15 отно- 10

aE," шений — —,, на второ и вход которого дЯ поступает сигнал блока 22, пропорциональный приращению мнимой составляющей диэлектрической проницаемости 15 д Е".

II

Формирование д Е, осуществляется в соответствии с электродинамическим уравнением

«с 0(, 20

Я (4)

8,67Q где об — коэффициент поглощения среды в резонаторе; Q — добротность резонатора со средой E

Поскольку в предлагаемом устройстве применена дифференциальная схема измерения, поэтому, используя уравнение (4) для опорного и измерительного резонаторов 18 и 19, можно получить

Еоп д

rE, = — — —— (5)

8,67Q „ управляемых аттенюаторов 6 и 7. С их помощью осуществляется поддержание неизменных уровней мощности на входах резонаторов 18 и 19 в широких пределах изменения частот СВЧ-генераторов

1 и 2. Управляемый аттеь1юатор 8 предназначен для компенсацЖ :В ощног. сти в СВЧ-тракте после ввеф4иууя . та" бавки исследуемого вещестВа в йа ерительный резонатор 19. Он управляет ся напряжением, поступающим от форми" рователя 25 ° В исходном состояний, когда оба резонатора 18 и 19 заполнены неполярным растворителем, аттенюатор 8 имеет заданное начальное затухание (определяющее диапазон измерений по д Е ), а соответствующее ему управляющее напряжение определяет ноль отсчета затуханий ды, . Введение в измерительный резонатор 19 добавки вызывает разбаланс в схеме компенсации опорного и измерительного каналов и управляющее напряжение изменяет затухание аттенюатора 8 таким образом, чтобы восстановить равенство напряжений на входе блока 22 (т.е. восстановить равенство напряжений на

СВЧ-детекторах 20 и 21). Изменение ,управляющего напряжения предварительно градуируется в единицах затухания

Ы, и поэтому оно является мерой текущего затухания д оа в измерительном резонаторе 19 согласно уравнению (5).

Управляющее напряжение подается на дЕ" измеритель 15 отношений †вЂ, вЂ, на дЕ выходе которого формируется сигнал, дЯ соответствующий величине — — кото

У рый подается на блок 16 умножения, где осуществляются умножение постоянного коэффициента (для заданного дЯ" растворителя) на отношение дЕ а также согласование с индикатором

24. Выходной сигнал индикатора 24 выражен непосредственно в единицах времени релаксации и непрерывно отображает состояние системы в измерительном резонаторе 19.

Измерение дипольного момента молекул реализуется в решающем блоке

12 в соответствии с расчетной формулой где К вЂ” постоянная Больцмана;

1318937

Т вЂ” температура раствора C — диэлеУ ктрическая проницаемость растворите-., ля; N — задаваемое количество молекул исследуемого вещества в единице

I объема; 6 Š— приращение диэлектри- 5 . ческой проницаемости раствора, обусловленное введением заданного количества молекул Н,ы -- 271.

Вместе с информацией 6 E на входы решающего блока 12 поступают напряжения с блока 17 задания коэффициентов - величины Т и N которые при постановке и проведении эксперимента могут в некоторых пределах варьироваться. Сюда же поступает сигнал с блока 16 умножения, который в уравнении (6) представляется как. поправка (1+ыРС )" . С выхода решающего блока 12 сигнал подается на индикатор 23, индицирующий результат в единицах дипольного момента Р (в Дебаях).

Формула. изобретения

1. Автоматический измеритель комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации молекул рас. творов, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генераторы, первый делитель мощности, опорный резонатор и первый СВЧ-детектор, измеритель отношений, последовательно соединенные измерительный резонатор и второй

СВЧ-детектор, индикатор времени релаксации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей путем обеспечения измерений дипольного момента молекул, к второму выходу первого делителя мощности подключены последовательно соединенные смеситель, частотомер и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с входом из- 45 мерителя отношений, введены последовательно соединенные второй СВЧгенератор, второй делитель мощности и управляемый аттенюатор, выход которого соединен с входом измерительного резонатора, между выходом первого

СВЧ-детектора и управляющим входом управляемого аттенюатора введены последовательно соединенные блок сравнения, второй вход которого подключен к выходу второго СВЧ-детектора и формирователь управляющего сигнала, а также введены блок умножения, включенный между выходом измерителя отношений и входом индикатора времени релаксации, блок задания коэффициентов и решающий блок, первый, второй, третий, четвертый и пятый входы которого соединены соответствующими выходами блока задания коэффициентов, при этом второй вход смесителя соединен с вторым выходом второго делителя мощности, второй вход измерителя отношений подключен к выходу блока сравнения, а шестой и седьмой входы решающего блока соединены соответственно с выходами цифроаналогового преобразователя и выходом блока умножения.

2. Измеритель по п1, о т л и— ч а ю шийся тем, что решающий блок содержит последовательно соединенные первый блок перемножения, первый, второй и третий входы которого являются соответственно первым, вторым и третьим входами решающего блока, второй перемножитель, второй и третий входы которого являются соответственно четвертым и шестым входами решающего блока, третий перемножитель, сумматор и блок извлечения квадратного корня и четвертый перемножитель, при этом выход второго перемножителя соединен с вторым входом сумматора, выход четвертого перемножителя соединен с вторым входом третьего перемножителя, третий вход которого является пятым входом решающего блока, вход четвертого перемножителя является седьмым входом решающего блока, а выход блока извлечения квадратного корня — его выходом, 1318937

Фиа 2

Составитель P. Кузнецова

Редактор Л. Гратилло Техред М. Ходанич . Корректор Л.Пилипенко

Заказ 2506/39 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР па делам изобретений и открытий

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

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