Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов

 

Изобретение может быть использовано для анализа физико-механических свойств непроводящих или слабопроводящих сред, например слабозасоленных почв, а также для технологического контроля процессов производства ряда материалов и изделий. Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов содержит измерительный генератор 5. с времязадающей цепью, коммутационный генератор 1, автоматический коммутатор 11, измерит ельный 13 и образцовый 14 конденсаторы, реверсивный счетчик 7, блок 6 стробирования, индикатор 8, компаратор 12 кодов, блок 15 управления, источник 4 тока, балластную резистивноемкостную цепочку 3, усилитель 9, выключатель 2 и варикап 10. Повьшается точность измерения и расширяются функциональные возможности путем раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления. 1 ил. о S (Л

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 G 01 R 27/26

/ф

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!;;-, 1з/

К ASTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4138635/24-21 (22) 24.10.86 (46) 23.03.88. Бюл. № 11 (71) Украинский региональный научноисследовательский институт Госкомгидромета (72) Б.А.Иванов (53) 621.317.33(088,8) (56) Авторское свидетельство .СССР

¹ 655990, кл. G 01 R 27/26, 1979.

Авторское свидетельство СССР № 1073679, кл. С 01 R 27/22, 1982. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕД И МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение может быть использовано для анализа физико-механических свойств непроводящих или слабопровоцящих сред, например слабозасоленных

„„SU„„1383226 А 1 почв, а также для технологического контроля процессов производства ряда материалов и изделий. Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов содержит измерительный генератор 5. с времязадающей цепью, .коммутационный генератор 1, автоматический коммутатор 11, измерительный 13 и образцовый 14 конденсаторы, реверсивный счетчик 7, блок 6 стробирования, индикатор 8, компаратор

12 кодов, блок 15 управления, источник 4 тока, балластную резистивноемкостную цепочку 3, усилитель 9, выключатель 2 и варикап 10, Повьппается точность измерения и расширяются функциональные возможности путе раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления. 1 ил.

1383226

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля параметров веществ, материалов и изделий на основе диэлектриков и в частности, может быть использовано как для анализа физико-механических свойств непроводящих или слабопроводящих сред, таких как слабозасоленная почва, так и для технологического контроля 10 процессов производства ряда материалов и изделий.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей пу- 15 тем раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления.

На.чертеже представлена блок-схема измерителя. 20

Измеритель содержит коммутационный генератор 1-, выключатель 2, балласт; ную резистивно-емкостную цепочку 3, источник 4 тока, измерительный генератор 5, блок 6 стробирования, ре- 25 версивный счетчик 7, индикатор 8, усилитель 9, варикап 10, автоматический коммутатор 11 компаратор 12 кодов, измерительный конденсатор 13, образцовый конденсатор 14, блок 15 30 управления.

Устройство работает следующим обра зом.

Управляющее напряжение коммутационного генератора 1, периодически с частотой. коммутации Я, переключает автоматический коммутатор 11, через который с той же частотой к времязадающей цепи измерительного автогенератора 5 поочередно подклю- 40 чаются измерительный либо образцовый конденсаторы 13, 14. Измерительный конденсатор реализован в виде обкладок конденсатора, между которыми помещен исследуемый образец. При . 45 этом частота автогенератора 5 изменяется с частотой коммутации Я в соответствии с неидентичностью значений емкостей конденсаторов 13 и 14.

Генератор вырабатывает частотно-мо50 дулированное напряжение, которое поступает на счетный вход реверсивного счетчика 7. Вход счетчика 7, управляющий реверсом, подключен к коммутационному генератору 1. Между выхо- 55 дом генератора 5 и счетным входом счетчика 7 включен блок стробирования импульсов измерительного генератора

6, назначение которого — исключить прохождение подсчитываемых импульсов в моменты переключения конденсаторов 13 и 14 коммутатором 11, Стробирование уменьшает погрешность измерения числа импульсов за период коммутации 2 /Я = Т „, вызванную переходными процессами генератора 5 и коммутатора 11 ° Таким образом, блок

6 стробирования вырабатывает импульсы определенной длительности (больше постоянной времени переходных процессов) в каждый полупериод T„/2 переключения конденсаторов 13 и 14.

Измерение реактивной составляющей сопротивления Х с конденсатора 13, которое в присутствии объекта исследования носит комплексный характер, производится по образцовому конденсатору 14 (с малыми потерями) . Значение емкости изменяется в результате воздействия исполнительного механизма, входящего в блок 15 управления. На вход блока 15 поступает с выхода компаратора кодов сигнал, .знак которого зависит от соотношения сравниваемых кодов, в момент поступления стробимпульсов на компаратор 12 кодов. Назначение компаратора кодов состоит в фиксации знака и числа импульсов, пропорционального разности частот измерительного генератора 5 за период коммутации Т„, она является входной для устройства 15. Функция стробимпульсов, поступающих на компаратор, состоит в синхронизации момента сравнения кодов компаратора

12. Блок 15 управления перестраивает образцовый конденсатор 14 до тех пор, пока выходной код счетчика 7 не станет равным нулю — это в,идеальном случае, т.е. когда полупериоды

Т«/2 симметричны. Однако вследствие, неидеальности коммутирующих цепей требуется предустановка начального значения компаратора 12 кодов, кото-. рая осуществляется на этапе калибровки устройства перед измерением.

Описанный этап измерения реактивной составляющей Х, характеризующий свойства исследуемого объекта измерения, помещенного между обкладками измерительного конденсатора 13., не отличается от известных автогенераторных методов. Он состоит в фиксации равенства частот измерительного генератора в момент взаимного замещения образцовой и измерительной емкостей.

1383226

Особенностью данного измерителя является то, что этот этап компенса- . ции реактивной составляющей Х комплексного сопротивления объекта ис5 следования является этапом начальной установки значения С образцового конденсатора 14. Относительно этого значения на втором этапе измерения отсчитывается величина активной составляющей т комплексного сопротивления объекта измерения по приращению С = С „ - С, где С вЂ” конечное значение образцовой емкости, которое она принимает по завершению второго этапа измерения.

На втором этапе измерения (режим измерения r ) выключатель 2 находится

;в замкнутом состоянии. При этом использование в замкнутой цепи, состоя- 20 щей из последовательно включенных генератора 5, источника 4, выключателя 2, усилителя 9, . варикапа 10 и балластной цепочки 3 (параллельно включенных резистора и емкости), ис- 25 точника 4 тока, питающего измерительный генератор 5, позволяет выделить в точке подключения балластной цепочки огибающую частоты коммутации .й амплитуда которой пропорциональна разности потерь в конденсаторах 13 и 14, включенных в измерительный генератор 5 с времязадающей цепочкой, в качестве которой используется резонансная система, содержащая конденсаторы 13 и 14 и индуктивность (не показана).

Из условия I — I „ + I — const. где I — ток источника 4, определяемый его внутренним сопро- . тивлением;

I — постоянная составляющая то1 ка, замыкающаяся через резистор цепочки 3 и резонансHbIH KOHT 1 eHepGTOpD 5 45

Х вЂ” переменная составляющая, замыкающаяся через конденсатор цепочки 3 и резонансный кон тур генератора 5, следует, что изменение эквивалентно50 го сопротивления времязадающей цепочки генератора 5 (резонансного контура с конденсаторами 13 и 14) вызывает перераспределение токов 1 г и

I, которое изменяет падение напряжения на резисторе цепочки 3. Это дает возможность выделять огибающую частоты коммутации, вызванную неравенством импедансов конденсаторов 13 и 14.

Выделенная огибающая используется в режиме измерения активной составляющей r -. Эта огибающая подается через усилитель 9 в качестве модулирующего напряжения на варикап 10 для дополнительной частотной модуляции генератора 5.

В режиме измерения активной составляющей комплексного сопротивления выключатель 2 находится в замкнутом положении. При этом вследствие различных значений импедансов конденсаторов 13 и- 14, подключаемых коммутатором 14, постоянный ток через резистор будет модулироваться с частотой коммутации Я.. Следовательно, постоянное напряжение на балластном резисторе, .поступающее на вход усилителя 9, будет меняться по тому же закону. Назначение конденсатора цепочки 3 состоит в фильтрации высокочастотной составляющей автогенератора 5. Напряжение частоты коммутации, пропорциональное потерям в исследуемой среде, вызывает частотную модуляцию автогенератора 5 за счет периодического изменения емкости варикапа 10, т.е. амплитудная модуляция в цепи питания генератора 5 порождает частотную девиацию того же генератора.

Эта частотная, девиация с частотой коммутации 5 должна быть скомпенсирована за счет выравнивания импедансов конденсаторов 13 и 14. Причем индикация равенства этих импедансов контролируется по равенству частот генератора 5 на полупериодах Т„/2 трактом преобразования измерительной информации, используемом ранее, на

I первом этапе в режиме.; измерения

Х, т.е. индикация равенства импедансов происходит с помощью реверсивного счетчика 7. Выходной код счетчика, как и в первом режиме, является информацией для управления конденсатором 14 через блок 15. Процесс регулирования значения емкости будет продолжаться до тех пор, пока емкость-конденсатора 14 не достигнет величины С, При этом потребление энергии от источника 4 тока в оба такта работы коммутатора

11 станет одинаковым, что приведет к исчезновению амплитудной модуляции на входе усилителя 9. В этом случае отсчет активной составляющей комплексного сопротивления исследуемой

138322б

r

ыаС

30

45

50 среды или материала может быть определен по соотношению гдейС = С„-C

Процесс измерения и калибровки состоит в следующем.

На первом этапе производится установка "нуля, т,е. выравнивают начальные значения емкостей измерительного и образцового конденсаторов 13 и 14. Для этого в отсутствие измеряемого .объекта выключатель 2 размыкают и устанавливают нулевое значение кода компаратора 12. По показанйям установившегося значения индикатора 8 судят об окончании процесса калибровки. Далее устанавливают значение кода компаратора 12 равным значению показаний цифрового индикатора 8 с учетом знака, при этом после окончания переходных процессов на индикаторе 8 автоматически установится нулевое значение. Предустановочный код компаратора 12 определяется несимметрией скважности длительностей стробируемых полупериодов, интервалов времени, соответствующих частоте коммутации Я, и зависит от технического исполнения блока 6 стробирования. Калибровка измерителя завершается отсчетом начального значения С „ образцового конденсатора 14 по его шкале.

Процесс измерения реактивной составляющей комплексного сопротивления объекта измерения состоит в определе нии разности значений образцовой емкости между ее показаниями Со, отсчитанными после введения объекта измерения в конденсатор 13, и ее значением, отсчитанным в режиме калибровки, т.е. Xc = 1/uJ (С o — С„) .

Особенностью режима измерения активной составляющей r предлагаемым устройством является возможность ее регистрации по компенсирующей реактивной составляющей образцовой емкости при выполнении условия где (С „— С, ) — приращение образцовой емкости между ее значением при отсчете реактивной составляющей контролируемого объекта и ее величиной в момент компенсации амплитудной моду- . ляции частоты коммутации Я на резисторе цепочки 3, возникшей за счет ! активных потерь r, объекта измерения, помещенного между обкладками образцового конденсатора 14.

Эта модуляция уменьшается за счетреактивного сопротивления образцового конденсатора 14. Конденсатор 14 перестраивается в этом режиме блоком

15 управления. При этом выполняется укаэанное соотношение, из которого легко определить r, по известнойчастоте генератора 5.

Абсолютное значение частоты у, входящей в выражение для г, может

20 определяться по показаниям индикатора 8. Для этого выключается схема управления реверсом и индикатор подсчитывает число импульсов генератора

5 за полупериод коммутации Т.„/2.

25 указанный режим 3 ожен в структуру коммутационного генератора 1.

Формула изобретения

Измеритель параметров диэлектрических сред и материалов, содержащий измерительный генератор с времязадающей цепью и коммутационный генератор, автоматический коммутатор, измерительный и образцовый конденсаторы, реверсивный счетчик, блок стробирования, индикатор, компаратор кодов и блок управления, при этом к времязадающей цепи измерительного генератора подключен средний контакт автоматического коммутатора, выходные контакты которого подключены к общей шине измерителя через измерительный и образцовый конденсаторы, выход измерительного генератора через последовательно соединенные блок стробирования и реверсивный счетчик соединен с входом индикатора, выход коммутационного генератора подключен к управляющим входам автоматического коммутатора, блока стробирования и реверсивного счетчика, выходы двух последних подключены к индикатору и компаратору кодов, выход которого через блок управления соединен с образцовым конденсатором, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения

1383226

Составитель В.Стукан

Техред А.Кравчук

Редактор С.Пекарь

Корректор С. Шекмар и

Заказ 1290/41

Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 функциональных возможностей путем раздельного измерения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления, в него введены источник тока, балластная резистивноемкостная цепочка, усилитель, выключатель, варикап, при этом первый вывод источника тока подключен к измерительному генератору, а второй через балластную резистивно-емкостную цепочку — к общей шине измерителя и через выключатель к входу усилите5 ля, выход которого соединен с одним из выводов варикапа и со сред-ним контактом автоматического коммутатора,. а друг ой вывод варикапа соединен с общей шиной измерителя.