Устройство для контроля проводимости

 

Изобретение относится к технике измерения проводимости сред и может быть использовано при контроле проводимости плазмы, полупроводников и т.п. Цель изобретения - расширение области применения устройства на контроль проводимости плазмы. Объект контроля помещается в область поля электромагнитного преобразователя 3, включенного в колебательный контур 2, подпитываемый автогенератором 1. Контролируются ток потребления автогенератора 1 с помощью шунта 7 и амплитудного детектора 8 и напряжение на колебательном контуре с помощью амплитудного детектора 5. Отношение этих величин, формируемое блоком 9 деления после обработки с помощью блока 10 вычитания и компенсаторов 4, 11, пересчитывается на основе выражений, выведенных в описании изобретения, в значение проводимости контролируемой среды. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 27 90

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Вй,ц, ;:д, -..р! я

И (БИ, ";,:; ":; 3,!

БИБЛ 5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4444465/24-21 (22) 25.03.88 (46) 07.04.90. Вюл. К 13 (71) Научно-исследовательский центр по технологическим лазерам АН СССР (72) В.В. Дембовецкий, 10.Н.Завалов и П.В. Фролов (53) 621.317.04(088.8) (56) Кухаркин Е,С. Инженерная электрофизика.-М.: Высшая школа, 1982, 520 с.

Клюев В.В. Приборы неразрушающего контроля материалов и изделий.- М.:

Машиностроение, 1 976, 131 с. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОВОДИМОСТИ (57) Изобретение относится к технике измерения проводимости сред и может быть использовано при контроле прово„„SU„„1555656 А 1

2 димости плазмы, полупроводников и т.п. Цель изобретения — расширение области применения устройства на контроль проводимости плазмы, Объект контроля помещается в область поля электромагнитного преобразователя 3, включенного в колебательный.контур

2, подпитываемый автогенератором 1 .

Контролируются ток потребления автогенератором 1 с помощью шунта 7 и амплитудного детектора 8 и напряжение на колебательном контуре с помощью амплитудного детектора 5. Отношение этих величин, формируемое блоком 9 деления после обработки с помощью блока 1 0 вычитания и компенсаторов 4, 11 .пересчитывается на основе выра- @

1 жений, выведенных в описании изобретения, в значение проводимости контролируемой среды. 2 s.ï.ф-лы, 4 ил.

1555656

Изобретение относится к области электромагнитных методов неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля проводимости ди5 электрических сред со свободными зарядами: слабоионизованный газ, плаз. ма газового разряда в лазерах, плазмотронах, МГД-генетаторах, а также полупроводниковых материалов. !О

Цель изобретения — расширение области применения устройства путем осуществления контроля проводимости плазмы.

На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства, на Фиг. 2 — то же, вариант выполнения, на Фиг ° 3 — схема проведения экспериментов по измерению проводимости плазмы газового разряда, на Фиг . 4 — результаты измерения проводимости плазмы по длине разряда.

Устройство для контроля проводимости (фиг.l) содержит последователь но соединенные автогенератор 1 с 25 включенным в него параллельным колебательным контуром 2 и электромагнитным преобразователем 3, комценсатор 4, амплитудный детектор 5 и ре. гистратор 6, при этом колебательный контур подключен к автогенератору через токовый шунт 7, амплитудный детектор 5 подключен к колебательному контуру, имеется второй амплитудный детектор 8, подключенный.к потенциометрическому выходу шунта, имеется блок 9 деления с тремя входами

"Делимое 9.1, "Делитель" 9.2 и Масштаб" 9.3, и выход "Частное", блок

10 вычитания с входами уменьшаемое 40 !

0.1 и "Вычитаемое" 10.2, выход которого подключен к регистратору, вход

1 0.2 — к компенсатору, вход 10.1 " к выходу блока 9 деления, вход 9.3 которого подключен к второму компенсатору 11,,вход 9.2 — к выходу первого амплитудного детектора 5, а вход 9.1к выходу второго амплитудного детектора 8.

Устройство работает следующим образом, При внесении объекта контроля (ОК) в после электромагнитного преобразователя 3 автогенератор 1 вырабатывает синусоидальный сигнал на частоте, равной резонансной частоте колебательного контура 2, потери которого возмещаются потреблением тока от автогенератора 1. Сигнал, пропорциональный току потребления, поступает через токовый |пунт 7 на вход амплитудного детектора 8, а на вход детектора 5 поступает сигнал с колебательного контура 2. Сигналы, уровень которых выставляется на этапах проверки и калибровки, поступают с компенсаторов 4 и 11 на соответствующие входы блоков деления 9 и вычитания

1 О. На вход 9.! блока 9 деления поступает сигнал с выхода амплитудного детектора 8. а на вход 9.2 — с выхода детектора 5. С выхода блока 9 сигнал поступает на вход 10.1 блока 10 вычигания, а с его выхода — на вход регистратора 6. На этапе измерения последний регистрирует значение искомой величины удельной электрической проводимости, Этап проверки заключается в выставлении нуля регистратора путем изменения сигнала с компенсатора 4 при внесенном в поле преобразователя эталонного ОК, а этап калибровки — в выставлении калибровочного значения путем изменения уровня сигнала на выходе компенсатора Ц при внесении калибровочного ОК.

В вариант выполнения устройства (Фиг.2) преобразователь 3 представляет собой трансФорматор, первичная обмотка 12 которого включена в колебательный контур 2, а вторичная обмотка .13 цодключена к входу амплитудного детектора 8 и токовый шунт отсутствует, Работает это устройство аналогично.

Если ОК цилиндрической Формы, то для контроля его проводимости можно дополнить устройство (Фиг.2) задатчиком 14 радиуса, выход которого.подключается к входу комперсатора .11, а преобразователь 3 выполнить индуктивного типа, как описано. Во время рабоьы ОК помещают в преобразователь по описанному способу, при этом этап калибровки отсутствует, однако измеряется радиус ОК, и сигнал, пропорциональный радиусу, подается с задатчика 14 радиуса на вход комперсатора.

Работа устройства основана на следующем с

ОК помещают в переменное электромагнитнде поле электромагнитного преобразователя 3 в виде катушки индуктивности или электрического конденсатора, включенные в колебателъный контур 2 и подкппоченные к выходу автогенератора. Проводимость ОК определя1555656

Q = Q,," Q„+ Q,,, 10 (4) Q (15

QU (1 — дпд, 20 (5) где S — вектор потока электромагнитного поля

P — коэФФициент затухания, равный в случае монохроматической волны удвоенному значению мнимой составляющей волнового числа К.

Интегрируя (6) по всей области поля электромагнитного преобразователя с V,) распространения поля за период изменения тока катушки индуктивности, учитывают, что P = О вне области ОК

v,j ..

30 (2) К=UЕ U/U, где Е, U

1 (д — циклическая частота измене- 40 ния синусоидального поля, которая определяется калибровочной путем цомещения калибровочного 0К в ту же область, что и измеряемый OK . 45

В широкой области частот, в которой для сосредоточенных контуров с размерами, меньшими длины волны, потери на излучение пренебрежимо малы, характерно соотношение 50 u

2 д- ;.и п = 1Я l где и ется по двум измерениям какой-либо электрической величины, например добротности, до и после внесения ОК или при внесении эталонного ОК, а затем уже измеряемого 0К с помощью следующего выражения для удельной электрической пРоводимости с1 а + К Иа (1) где, — проводимость среды в области, куда собирактся помещать ОК, в случае измерения, электрической величины до и после помещения ОК в поле электромагнитного преобразователя или проводимости эталонного ОК, помещаемого в ту же область, что и измеряемый ОК в случае, если электрическая величина измеряется при внесении эталонного ОК, а затем уже измеряемого ОК, Q< — добротность датчика (индекс

1 соответствует добротности датчика до, индекс 2 соответствует добротности датчка после внесения ОК);

К вЂ” коэФФициент и электрическая постоянная; энергия поля, запасенная в электромагнитном преобразователе; часть энергии поля U, запасенная в области, занимаемой. ОК;

55 — действительная часть коэФфициента преломления, — мнимая часть коэФФициента перломления, IEI — относительная комплексная диэлектрическая проницаемость ОК.

Поскольку рассматривается поле ка— туп1ки индуктивности, то наличие диссипации энергии поля эквивалентно дополнительному снижению добротности контура Q: добротность конденсатора, добротность ка туп к и индуктивности, добротность, связанная с дополнительным поглощением энергии поля в ОК, которая определяется как

Уравнение баланса энергии

dU

dt

div S PS

) (6) div SdV Sdn = О, (ч.1 так как потери на излучение в сосредоточенном контуре пренебрежимо малы.

Тогда, с учетом (5), (6) и S = U с (с — скорость света) где C S), (U) - амплитудные значения потока и поля соответственно.

Из (4) и (7) следует напряжение через измеряемые величины (1) и (2) для, если переобозначить интегралы в квадратных скобках.

В частности, если ОК цилиндрической Формы, то с целью сокращения времени измерений его целесообразно

1555656 поместить в центр круговой катушки индуктивнасти высотой меньше, чем высота ОК, а коэФФициент

К = 2 r/R, где R — радиус OK, с — скорость света в вакууме, определяют путем определения радиуса

ОК с помощью задатчика 14 радиуса.

В этом случае одна или две обмотки электромагнитного преобразователя

3 выполнены в виде саос.ных круговых катушек индуктивности высотой меньше, чем высота OK. 15

В основе построения блок-схемы устройства лежат выражения (1) и (3) и следующее выражение для добротности колебательного контура на резонансной ч астоте: 20 (— (= (Е2 — I<) Z/Е, (8) где Т » 1» — амплитуды тока, потребляемого колебательным контуром, ат автогенератора 1 до и после внесения ОК, определяемые с помощью амплитудного детектора 8 по сигналу шунта 7;

Š— амплитуда напряжения на колебательном контуре, определяемая с помощью амплитудного, детектора 5, Z — модуль комплексного сопротивления преобразователя:

Z = 1/(и С), где С вЂ” емкость емкостного преобра- 40 зователя, Z =u 1, где L — индуктивность преобразова45 теля в виде катушки индуктивности или индуктивность первичной обмотки преобразователя в виде трансформатора.

Отношение I, /E и I2 /Е формируется блоком 9 деления по выходным сигналам амплитудных детекторов 8 и 5, разность (I - It)Е/Е Формируется блоком 10 вычитания с помощью кампенсаторов 4 и 1.1 и индицируется на регистраторе 6.

Пример. Проводят измерения проводимости плазмы тлекчцего разряда в патоке газа C0z. .И : Не, протекав— шега через трубку с внутренним диамет ром 18 мм и длиной между катодом и анодом 15 см. Емкость конденсатора

15 (фиг.3) колебательного контура

С = 279 пФ, а индуктивность катушки

16 L = 41,5 мкГн при числе витков

N = 32. Резонансная частота контура лежит в области 1,48 Й ц, и частота автогенератора 17 подстраивается под частоту колебательного контура при каждом измерении. Результаты измерений обрабатываются на основе формул (1) и (3) с помощью блока 18, построенного согласно блок-схеме устройства (Фиг.1), На Фиг. 4 приведены результаты измерений удельной электрической проводимости (точки), а также результаты расчета (линия

I I — при токе 40 мА, линия II II— при токе 20 мА) . Последние выполHeны в предположении постоянства отношения E/N в положительном столбе с учетом катодного падения и тепло выделения в разряде. Однако расчет не предполагает условий, приводящих к возникновению "темного фарадеевскоГо пространства, визуально наблюдаемого в прикатадной области при токе 20 мА, но отсутствовавшего при токе 40 мА. В других частях разряда результаты измерения и расчета хорошо согласуются между собой.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля проводимости, садержажее электромагнитный преобразователь, к входу которого подключены параллельный колебательный контур и выход автогенератора, первый компенсатор, первый амплитудный детектор и регистратор, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устройства путем осуществления контроля проводимости плазмы, в него введены второй амплитудный детектор, второй компенсатор, блок вычитания, блок деления, электромагнитный преобразователь, выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого соединена с входом электромагнитного преобразователя, вторичная обмотка соединена с выходом электромагнитного преобразователя, который соединен с входом первого амплитудного детектора, параллельный колебательный контур сое1555656 динен с входом второго амплитудного детектора, выходы первого и второго амплитудных детекторов подключены соответственно к первому и второму входам блока деления, третий вход которого соединен с выходом первого компенсатора, выход блока деления соединен с первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом второго компенсатора, выход блока вычитания соединен с входом регистратора.

2. Устройстой по п. I, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что электромагнитный преобразователь выполнен в виде параллельного колебательного контура, между выходом автогенератора и параллельным колебательным кон5 туром включен токовый шунт потенS циальные выводы которого соединены с входом первого амплитудного детектора.

3. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения времени контроля объекта контроля цилиндрической формы, электромагнитный преобразователь имеет высоту, меньшую, чем объект контроля, а к входу второго компенсатора подключен задатчик радиуса объекта контроля.

1555656

3Х10, См М

Р и

22

21

fg

18

17

Ю

1Ч

13

12

11

Составитель В. Степанкин

Редактор Н. Бобкова, Техред А. Кравчук Корректор М.Максимишинец

Заказ 553 Тираж 508 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