Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерений. Устройство содержит емкостный накладочный датчик, включенный в колебательный контур, два высокочастотных генератора, ключи, схемы ИЛИ и умножения, фильтры низких частот, мультивибратор. Цель изобретения достигается за счет поочередного возбуждения резонансного контура колебаниями двух симметричных относительно резонанса частот, что обеспечивает стабильный отсчет параметра от нулевого значения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 01 N.27/22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4292616/31-25 (22) 30.07.87 (46) 30.12.89. Бюл. 1Ф 48 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) 10.А.Скрипник, А.H.Äûêîâ и В.А.Фролов (53) 551.508.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1073679, кл. G Ol N 27/22, 1982.

Авторское свидетельство СССР

1Ф 1456859, кл. G 01 N 27/22, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОЙ

ПЛОТНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразования, иглопробивания, термоусадки и т.п.

Целью изобретения является повышение точности регистрацииобъемной плотности в процессе контроля измерений, На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 — зона распределения электрического поля.

Устройство содержит диэлектрическое основание 1, на котором расположены высокопотенциальный 2, низкопотенциальный 3 и эквипотенциальные дополнительные 4 и 4 электроды датчика, выполненные в виде компланарных концентрических колец, касающих" ся контролируемого материала 5, вы„„SU„„1532859 А1

2 (57) Изобретение относится к измерительной технике ° Цель изобретения повышение точности измерений. Устройство содержит емкостный накладной датчик, включенный в колебательный контур, два высокочастотных генератора, ключи, схемы ИЛИ и умножения, фильтры низких частот, мультивибратор, Цель изобретения достигается за счет поочередного возбуждения резонансного контура колебаниями двух симметричных относительно резонанса частот, что обеспечивает стабильный отсчет параметра от нулевого значения. 2 ил. сокочастотные управляемые генераторы

6 и 7, выходы которых через упр авля емые высокочастотные усилители 8 и 9 подключены к входам схемы ИЛИ 10, выход которой соединен с автотрансформатором 11, образующим по вторичной обмотке с подстроечным конденсатором 12 и электродной системой 2-3 колебательный резонансный контур, выход которого соединен через повторитель 13 напряжения с эквипотенциаль-! ными электродами 4 и 4 а также с одним входом множительной схемы 14 второй вход подключен к выходу схемы

ИЛИ. К выходу схемы 14 подключены последовательно соединенные фильтр

15 низкой частоты, низкочастотный усилитель 16, первый управляемый выпрямитель 17, регистрирующий прибор

18, при этом управляющий вход выпрямителя 17 подключен к выходу мультивибратора 19 ° К выходу мультивибра- . тора 19 подключен триггер Шмидта 20, 1532859

U =U sin(cv, t+g„); (2) 35 где

40 3LC (J idp

Л вЂ” —— (dp И

d4) Ed- lA

Е2-E

Я=

Е2+ ЕЗ

55

А, В— прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей 21 и 22, входы которых подключены к источнику 23 постоянного напряжения, а выходы соответственно к входам питания высокочастотных генераторов 6 и 7. К выходу схемы ИЛИ 10 подключены также после, довательно соединенные амплитудный детектор 24, второй фильтр 25 низкой частоты, второй усилитель 26 низкой, частоты, второй управляемый выпрями, тель 27, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного

1 .,усилителя 9, а управляющий вход с выходом мультивибратора 19, вторичная обмотка автотрансформатора ll шунтирована подстроечным конденсатором 12.

Устройство работает следующим об разом.

Диэлектрическое основание 1 датчи ка с высокопотенциальным 2 и низкопо, тенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в, материал 5 с контррлируемой объемной, плотностью. Емкость накладного датчика с периодической структурой электродов определяется диэлектрическими проницаемостями подложки датчика, контролируемого материала и окружающей среды:

Sb

С(y) А(E +Е2 -Р-,+ ) относительная диэлектрическая проницаемость подложки датчика; относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала при неизменном составе последнего, пропорциональная объемной плотности р; объемная. плотность контролируемого диэлектрического материала; коэффнциент, отражающий различие в диэлектрических свойствах контролируемого материала и окружающей среды1 относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха); постоянные коэффициенты, определяемые площадью конденсатора датчика, шириной электродов и зазором между ними;

Ь - толщина контролируемого ма5 терн ала.

Триггер 20 с частотой 1, определяемой параметрами мультивибратора

19, через электронные ключи 21, 22 обеспечивает поочередно подачу постоянного напряжения от источника

23 к входам питания высокочастотных генераторов 6, 7. Пакеты генерируемых колебаний высокой частоты

U„U„sin(z + „) (3) выравниваются по амплитудам усили, телями 8 и 9, проходят. через схему

ИЛИ 10 и воздействуют поочередно на первичную обмотку автотрансформатора 11, к вторичной обмотке которого подключены подстроечный конденсатор

12 и емкость электродной системы: измерительный высокопотенциальный электрод 2 - контролируемый материал

5 — низкопотенциальный электрод 3.

Комплексный коэффициент передачи резонансного контура, образованного автотрансформатором 11, подстроечным конденсатором 12, электродами

2-3 при малых расстройках определяется выражением

112()

К(м)= — - — = -. — т ——

U, (ы) j 1+j AQ добротность резонансного контура; резонансная частота контура;

24ы — — — относительная растр

4 стройка контура; абсолютная расстройка контура; емкость,. образуемая электродной системой 2-3 и подстроечным конденсатором 12, входящим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала; индуктивность контура; сопротивление потерь контура; круговая частота напряження, возбуждающего контур.

1532859

6 а фаэовые сдвиги напряжения U(f U по отношению к напряжению на выходе схемы ИЛИ определяются выражениями пере(5) (1О) (P, =arctg Q I»

V1-arctg Qp19 (6) (р агсtgAQ.

Амплитуда и фаза напряжений на резонансном контуре с учетом диэлектрических параметров контролируемого материала 5, а также с учетом того обстоятельства, что возбуждающие напряжения высокочастотных генераторов выравниваются (U =U „ =V ), определ )1 ляется выражением:

U„=K,U sin(x,t+y+(,), О (t (« (°

Т (7)

U,, Ê U„sin(v1t+(P, Ю1), — (t Т где (),, (л> — круговые частоты напряжений высокочастотных генераторов 6, 7;

К,, К 1 — коэффициенты передачи резонансного контура на частоте (>, и (л) соответственно; ц, (— фазовые сдвиги,- вносимые расстроенным контуром на частотах (.>, и w ;

2«

Т= — — период переключения генераторов 6, 7.

Параметры резонансного контура подобраны таким образом, что при частоте (л), генератора 6 рабочая точка располагается на левой ветви резонансной кривой ненагруженного датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ (А,= -0,83), а при частоте генератора 7 — переходит на аналогичную точку на правой ветви резонансной кривой (81= +0,83). При непрерывном переключении генераторов 6 и 7 рабочая точка контура "переключается" с левой ветви резонансной кривой на правую с частотой Я мультивибратора 19. Коэффициент передачи резонансного контура изменяется от значения к= — — —— (8}

Г+(лд) до значения к=- — - л) (л,()) (9) 5

При этом модуль коэффициента дачи контура К . "л

"л 1+(AQ) а аргумент коэффициента передачи А )ллл где )) = — — - — относительная pac(d стройка контура на частоте генератора 6;

1 P

М1= -- — — - относительная рас " Р ">г стройка контура на

15 частоте генератора 7 .

Напряжения U и U,(поочередно поступают на один вход множительной схемы

14 к второму входу которой поочередно приложены непосредственно напряжения генераторов 6, 7 через схему

ИЛИ 10.

В один полупериод коммутации

Т

25. (О (t (-) в результате перемножения

2 пакетов напряжений одной частоты образуется постоянная составляющая напряжения, пропорциональная коэффипиенту передачи контура на частоте

U,> =K К,U созц,=К К,,U cos(arctg Ц)>,), (12) где К вЂ” масштабный коэффициент множительной схемы 14 °

Т

В другой полупериод коммутации (- (t (2 (Т) постоянная составляющая пропорциональна коэффициенту передачи кон-. тура на частоте

Uи КЗК16„COSц>1=К,К,Б COS(arCtg QЛ>). (13) Постоянные составляющие U и U,+ поочередно выделяются фильтром 15 низ45 кой частоты и воздействуют на усилитель 16 низкой частоты. . В отсутствие контролируемого материала 5 коэффициенты передачи колебательного контура и косинусы фазо-5О вых сдвигов, вносимых контуром, рав.Ны

4В «е /елъл

ct «К лю °

-к 1

4 >+(лд) 6+(л ))

55 os (arctg (1>, Q)=cos (arctg A1Q), (15) 1ак как равны абсолютные значения (>тносительных расстроек на частотах (>, и (,л)

1532859

1ь 1 Р1 1 1ь 1т Л,1 = -- — — (= ) Л 1=) — — — I . (16) ь„< 1 l) (°

Вследствие этого равны и постоянные составляющие напряжений U < =U

14

При контакте электродов емкостного датчика 2-3 с материалом 5 в зависимости от значения его объемной плотности происходит расстройка резоцансного контура

1 1

Ю ь.)—

/ьс Г (с+к ) (17) Эти приращения дС приводят к сме, щению рабочих точек на правой и левой ветвях резонансной кривой конту ра. Коэффициент передачи контура на

: частоте ь,11 увеличится до значения (19) а коэффициент передачи контура на частоте ы уменьшится до значения

Я

Ф

2 (аы+Аы)

Ed p

1+ (Q (20) где Q — добротность контура с учетом потерь в материале.

Соответственно изменяются и. фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром где Л С вЂ” вносимая контролируемым материалом емкость, пропорциональная объемной плотности материала Р .

При контакте электродов датчика с, контролируемым материалом составляю, щая А Е, выражения (1) постоянна и тогда это выражение относительно приращения емкости 1С от изменения о объемной плотности g контролируемого материала приобретает следующий вид

ЬЪ

° е

ЛС(р) = АЕ

2 е1+ц (18)

Отсюда следует, что при неизменных геометрии датчика, диэлектричес ких свойств окружающей среды (f )

: и постоянной толщине контролируемого материала (h) приращение емкости Л С пропорционально изменению объемной плотности контролируемого материала, 2 (Дь,1-/ь,1)

p =-arctg Q

ЫР, 2(да+Ам)

1 =arctg Q

GJР (21) (22) т.е. фазовые сдвиги ь, и ц становятся неодинаковыми.

Из-за возникающего неравенства

10 постоянных составляющих напряжений

U, и U"4 усилителем 16 низкой частоты усиливается переменная составляющая частоты и мультивибратора 19. ! L

-Б и К К411

15 U =K 1 з (К соз:(1ь 4 2 2 4 (23) где К4 — коэффициент усиления усилителя 16.

Переменное напряжение с амплитудой

Б1 выпрямляется управляемым выпрямителем 17 и фиксируется регистратором 18.

Установка нуля регистратора 18 производится при отсутствии контакта датчика с контролируемым материалом с помощью подстроечного конденсатора 12.

Для поддержания равенства амплитуд высокочастотных напряжений частоты Ы, и ь1 выхоДное напРЯжение схемы ИЛИ 1О детектируется амплитудным детектором 24. Постоянные составляющие продетектированных напряжений поочередно выделяются фильтром 25 низкой частоты и воздействуют на вход усилителя 26 низкой частоты. При неравенстве амплитуд (U WU ) усилите д, 40 лем 26 усиливается переменная составляющая частоты Я, пропорциональная разности амплитуд высокочастотных напРЯжений частот ы, и ьь1, и постУпает на управляемый выпрямитель 27. Постоянная составляющая напряжения, снимаемого с выхода управляемого выпрямителя 27, пропорциональная разнице амплитуд высокочастотных напряжений частот 11„ и ы, поступает на управляющий вход регулируемого усилителя 9 высокой частоты. Направление изменения коэффициента усиления усилителя 9 выбрано таким, что управляющее воздействие приводит к выравнива55 нию амплитуд высокочастотных напряжеНнй ЧаСтОт Ы И Ьь1 .

Неоднородность электрического поля, присущая накладным датчикам вызыУ вает наибольшую чувствительность уст1532859

35

50 ройства только к свойствам ближайших слоев контролируемого материала, накладываемого на датчик . В силу этого наличие неровностей поверхности контролируемого материала, прилегающего к датчику, дает большую погрешность измерения. Помимо этого, как следует из выражения (l), для 1С приращение емкости, привнесенное в датчик контролируемым материалом, зависит не только от плотности р, но и от изменения толщины контролируемого материала.

Устранение влияния толщины контролируемого материала и неровностей поверхности, прилегающей к датчику, на показания регистрирующего прибора 18 в устройстве обеспечивается следующим образом. Напряжения высокочастотных генераторов 6, 7, поочеред« но поступающие на резонансный контур, в который включена емкость сис" темы высокопотенциальный электрод

2 — контролируемый материал 5 — низкопотенциальный электрод 3, одновременно прикладывается к эквипотенциальным. дополнительным электродам 4, (4 через повторитель 13 напряжения.

Повторитель 13 напряжения обеспечивает равенство амплитуды и фазы напряжений, прикладываемых к электродам 4, 4 по отношению к амплитуде

/ и фазе напряжения, прикладываемого к высокопотенциальному электроду 2.

Между электродом 3 и электродами 2, 4, 4, имеющими одинаковые напряжения, образуется электрическое поле, состоящее из трех областей А, Б и В (фиг. 2), каждая из которых связана с напряжением на электродах 2, 4, 4 соответственно. Силовые линии на границах этих областей показаны штриховыми линиями. К измерительному электроду 2 ток смещения проходит только через зону Б, и поэтому изменения, происходящие в зонах А и В, не влияют на результат измерения. Окружа" ющая датчик среда (воздух) входит в зоны А и В, поэтому составляющая емкости, привнесенной контролируемым материалом, связанным с относительной диэлектрической ироницаемостью среды, также практически не влияет на рабочий ток смешения преобразователя, что обеспечивает независимость показаний регистрирующего прибора 18 от изменений Е окружающей среды. Ширина колец электродов 2, 4, 4 и расстояние между ними выбираются таким образом, что обеспечивается измерение емкости, привнесенной объектом контроля, в зоне В (фиг. 2). Выбор ширины и расположения этой зоны обеспечивают независимость показаний регистрирующего прибора

l8 от толщины контролируемого материала и неровностей, прилегающих к преобразователю контролируемых поверхностей.

Повышение точности достигнуто sa счет поочередного возбуждения резонансного контура колебаннями двух симметричных относительно резонанса частот, соответствующих наиболее крутым участкам обоих склонов резонансной кривой. При этом использование колебаний двух частот позволяет получить стабильный "нуль" при нулевом значении контролируемого параметра, что трудно обеспечить при работе только на одной ветви резонансной кривой расстроенного контура. Использование двух параметров датчика — модуля и аргумента коэффициента передачи резонансного контура также повышает чувствительность и точность измерения объемной плотности объекта за счет более крутой преобразовательной характеристики выходное напряжение — объемная плотность. Введение,дополнительных электродов, эквипотен циальных по отношению.к измерительному, также повышает точность измерения объемной плотности за счет исключения влияния толщины контролируемого материала, неровностей прилегающих к преобразователю контролируемых поверхностей, изменения относительной диэлектрической проницаемости окружаю щей среды (воздуха). Использование электронных управляемых ключей позволяет повысить надежность устройства за счет устранения коммутационных разрывов, возможности повышения до сотен килогерц частоты коммутации и как следствие уменьшения постоянной времени и дрейфа низкочастотного тракта устройства, Формула изобретения

Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальньп электроды, выполненные в виде комчланар1532859

Составитель В.Немцев

Техред М.Дидык

Корректор Jl.Ïàòàé

Редактор О.Спесивых

Заказ 8093/50 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул, Гагарина, 101 ных концентрических колец, высокочастотный генератор с источником постоянного напряжения, множительная схема, фильтр низкой частоты, усилитель

;низкой частоты, управляемый выпрямитель и регистрирующий прибор, мультивибратор, причем выход генератора соединен с колебательным контуром, выход которого соединен с высокопотенциальным электродом датчика, выход множительной схемы соединен с последовательно соединенными фильтром низкой частоты, усилителем низ1 кой частоты, управляющим выпрямителем и регистрирующим прибором, ( о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, | с целью повышения точности, оно снабжено схемой ИЛИ, вторым генератором высокой частоты, двумя ключами и триггером, вход которого подключен к

5 мультивибратору, а выходы соединены с управляющими входами ключей, входы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а выходы — к входам питания высокочастотных генераторов, выходы которых соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с одним входом множительной схемы, второй вход которой подключен к выходу колебательного контура, при этом вход колебательного контура соединен с выходом схемы ИЛИ.