Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для физико-химических исследований, например для измерения параметров влажности, концентрации и т.п. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений. Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений содержит генератор высокой частоты 6, измерительный конденсатор 7, амплитудный детектор 9 и амплитудный модулятор 11. Введение в устройство генератора низкой частоты 1, переключателей 2 и 3, синхронных детекторов 4 и 5, эталонного элемента 8, запоминающего конденсатора 10, частотного детектора 12, усилителей низкой частоты 13 и 14, регистраторов 15 и 16 позволяет повысить чувствительность и точность измерений за счет исключения погрешностей, вызываемых дрейфовыми явлениями. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5l)5 G 01 R 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4753398/21 (22) 26.10.89 (46) 23,09.91. Бюл. N 35

P1) МГУ им. М.В.Ломоносова (72) А.А.Белов (53) 621.317 (088.8) (56) Лопатин Б.А. Кондуктометрия. — Новосибирск, 1964, с.280.

Авторское свидетельство СССР

N. 576548, кл. G 01 R 27/02, 1977. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для физико-химических исследований, например для измерения параметров влажности, 5 Ы» 1679410 А1 концентрации и т.п. Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений. Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений содержит генератор высокой частоты 6, измерительный конденсатор 7, амплитудный детектор 9 и амплитудный модулятор 11.

Введение в устройство генератора низкой частоты 1, переключателей 2 и 3, синхронных детекторов 4 и 5, эталонного элемента

8, запоминающего конденсатора 10, частотного детектора 12, усилителей низкой частоты 13 и 14, регистраторов 15 и 16 позволяет повысить чувствительность и точность измерений за счет исключения погрешностей, вызываемых дрейфовыми явлениями. 2 ил.

1679410

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для физико-химических исследований, например, влажности, концентрации и т.п.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для кондуктометрических и диэлектрических измерений, на фиг, 2— принципиальная схема устройства и системы автоматической стабилизации его режима.

Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений содержит генератор 1 низкой частоты, коммутаторы 2 и 3, два синхронных детектора 4 и 5, генератор6 высокой частоты, измерительный конденсатор 7, эталонный элемент 8, амплитудный детектор 9, запоминающий конденсатор 10, амплитудный модулятор 11, частотный детектор 12, два усилителя 13 и 14 низкой частоты, два регистратора 15 и 16.

Кроме того, устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений (фиг. 2) содержит вакуумный триод 17, катушку 18 индуктивности, первый конденсатор 19, второй конденсатор 20, первый резистор 21, сопротивление нагрузки 22 катодного повторителя, сопротивление нагрузки

23 усилителя напряжения, третий конденсатор 24, разделительный конденсатор 25, диод 26, второй 27 и третий 28 резисторы, второй конденсатор 29, операционный усилитель 30, потенциометр 31, четвертый резистор 32, пятый резистор

33, первый 34 и второй 35 транзисторы, шестой резистор 36, контрольные выходы . устройства 37 — 42.

Устройство работает следующим образом.

Под действием генератора 1 коммутатор 2 периодически и на равные промежутки времени подключает к колебательному контуру генератора 6 либо измерительный конденсатор 7, либо эталонный элемент 8, В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру .генератора 6 измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает к выходу амплитудного детектора 9 запоминающий конденсатор 10 и вход амплитудного модулятора 11, При этом запоминающий конденсатор заряжается и напряжение на нем, а также на входе амплитудного модулятора становится равным напряжению на выходе амплитудного детектора, которое, в свою очередь, определяется амплитудой колебаний генератора 6, Поскольку модулятор представляет собой инвертирующий усилитель напряжения, а генератор получает напряотличается от сопротивления измерительно50 го конденсатора, то, несмотря на постоянство напряжения питания, амплитуда генерации при периодическом переключении коммутаторов 2 и 3 будет также периодически изменяться. При этом переменная составляющая напряжения на выходе амплитудногодетектора имеет вид последовательности прямоугольных импульсов. Амплитуда этих импульсов пропорциональна разности сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента.

40 жение питания с выхода модулятора, то при увеличении амплитуды колебаний генератора напряжение питания генератора уменьшается, что приводит к установлению стабильной генерации с малой амплитудой, независимо от величины активной составляющей сопротивления измерительного конденсатора.

Таким образом, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 замыкает цепь обратной связи, которая устанавливает такое напряжение питания генератора, при котором генератор работает с малой амплитудой колебаний, т.е, вблизи порога самовозбуждения в мягком режиме.

В те полупериоды коммутации, когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора 6 эталонный элемент 8, коммутатор 3 отключает запоминающий конденсатор и вход амплитудного модулятора от выхода амплитудного детектора.

При этом цепь обратной связи, стабилизирующая амплитуду генератора, разрывается, но напряжение питания генератора не изменяется благодаря тому, что модулятор имеет высокое входное сопротивление и поэтому заряженный запоминающий конденсатор 10 продолжает поддерживать на входе модулятора прежнее напряжение, Поскольку длительность полупериода коммутации невелика, то дрейфовые явления не успевают существенно изменить режим работы генератора и он продолжает работать вблизи порога самовозбуждения в течение всего того полупериода коммутации, когда к колебательному контуру генератора подключен эталонный элемент.

Поскольку во время этого полупериода коммутации цепь обратной связи, стабилизирующая амплитуду генерации, разомкнута, то в течение этого полупериода коммутации амплитуда генератора зависит от уровня потерь энергии в колебательном контуре генератора, а следовательно, и от активного сопротивления эталон ного элемента, Если сопротивление эталонного элемента

1679410

Так как генератор работает в мягком режиме вблизи порога самовозбуждения, то, как известно, при этом амплитуда генерации характеризуется наиболее сильной зависимостью от потерь энергии в колебательном контуре, а следовательно, и от активного сопротивления эталонного элемента: Теоретически крутизна зависимости амплитуды генерации от активного сопротивления в колебательном контуре в этом режиме стремится к бесконечности при стремлении амплитуды генерации к нулю. Следовательно, теоретически предлагаемое устройство может иметь бесконечно высокую чувствительность при измерении активного сопротивления. Практически приходится использовать не бесконечно малую, а конечную амплитуду генерации, поэтому чувствительность имеет конечное значение. Таким образом, использование коммутации измерительного конденсатора и эталонного элемента с помощью коммутатора 2, а также применение периодической (с частотой коммутации) коррекции режима генератора с помощью второго коммутатора

3 и запоминающего конденсатора 10 позволяет существенно повысить чувствительность устройства.

Если различаются не только сопротивления, но и емкости измерительного конденсатора и эталонного элемента, то переключение коммутаторов 2 и 3 будет вызывать периодическое изменение не только амплитуды, но и частоты генератора 6. При этом на выходе частотного детектора 12 появится переменное напряжение, имеющее вид последовательности прямоугольных импульсов, амплитуда которых будет пропорциональна разности емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента.

Переменные напряжения с выхода амплитудного и частотного детекторов поступают на входы усилителей 13 и 14 низкой частоты, а затем на первые входы синхронных детекторов 4 и 5. На вторые входы синхронных детекторов 4 и 5 подается напряжение с генератора 1 низкой частоты. На выходах синхронных детекторов 4 и 5 появляются постоянные напряжения, величины которых пропорциональны соответственно разности активных сопротивлений и емкостей измерительного конденсатора и эталонного элемента. Эти напряжения поступают на регистраторы 15 и 16.

Методика проведения измерений с помощью данного устройства состоит в следующем. Устанавливается максимальная величина сопротивления резистора эталонного элемента, При этом сопротивление

15

25

50

55 эталонного элемента должно быть не менее сопротивления измерительного конденсатора, В этом случае генератор 6 должен генерировать в течение обоих полупериодов коммутации, а показания обоих регистраторов 15 и 16 будут в общем случае отличны от нуля. Затем с помощью переменного конденсатора в эталонном элементе надо сделать нулевыми показания регистратора 16.

Это можно сделать с первой попытки, так как частота генерации не зависит от сопротивления колебательного контура, После выполнения этой операции емкости измерительного конденсатора и эталонного элемента будут равны, и емкость измерительного конденсатора можно определить по шкале переменного конденсатора в эталонном элементе. Затем с помощью переменного резистора в эталонном элементе необходимо сделать нулевыми показания регистратора 15. Это тоже можно сделать с первой попытки, так как при равенстве емкостей измерительного и эталонного элементов изменение амплитуды колебаний при переключении коммутаторов 2 и 3 вызвано только различием сопротивлений измерительного конденсатора и эталонного элемента. После выполнения этой операции активное сопротивление измерительного конденсатора равно активному сопротивлению резистора в эталонном элементе и может быть определено по шкале этого резистора.

Применение коммутатора, поочередно подключающего измерительный конденсатор и эталонный элемент к колебательному контуру генератора, в сочетании с синхронным детектированием позволяет практически полностью исключить погрешности измерения, обусловленные дрейфом частоты и нестабильностью режима работы генератора, а также медленными изменениями характеристик как генератора, так и всех других узлов устройства, за исключением коммутаторов 2 и 3.

Это объясняется тем, что отсчет измеряемых величин в предлагаемом устройстве делается при нулевых показаниях регистраторов, а это условие выполняется только при равенстве параметров измерительного конденсатора и эталонного элемента, независимо от медленных изменений параметров всех узлов устройства, за исключением коммутаторов 2 и 3.

Устройство позволяет получить необходимый результат с первой попытки.

Применение коммутатора 3 и запоминающего конденсатора 10 в цепи обратной связи для поддержания генератора у порога самовозбуждения позволяет обеспечить

1679410 максимально возможную чувствительность устройства при измерении активных сопротивлений, т.е. при проведении кондуктометрических исследований.

Устройство с рабочей частотой около

10 МГц можно реализовать на двойном вакуумном триоде 17 типа 6Н15П (фиг. 2).

Колебательный контур генератора, состоящий иэ катушки 18 и конденсатора 19. подключен к левой половине триода 17 через цепь автоматического смещения, состоящую из конденсатора 20 и резистора 21.

Левая половина триода 17 используется как катодный повторитель. Напряжение с сопротивления нагрузки 22 катодного повторителя поступает на правую половину триода 17, который работает как усилитель напряжения. Напряжение с сопротивения нагрузки 23 усилителя напряжения через конденсатор 24 подается на колебательный контур. Тем самым обеспечивается положительная обратная связь, необходимая для самовозбуждения генератора. Через разделительный конденсатор 25 напряжение с катодной нагрузки 22 генераторной лампы подается на амплитудный детектор, собранный на диоде 26, Фильтром детектора является цепь из резисторов 27, 28 и конденсатора 29. Напряжение с выхода детектора через коммутатор 3 подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 30 и запоминающий конденсатор 10. На инвертирующий вход усилителя с потенциометра 31 через резистор 32 подается постоянное напряжение, величина которого, определяет стабилизируемое значение амплитуды генератора при подключении к его колебательному контуру измерительного конденсатора 7. Измерительный конденсатор 7 и эталонный элемент 8 подключаются к колебательному контуру генератора коммутатором 2. В качестве коммутаторов 2 и 3 использовались поляризованные реле типа РП-5 со снятым экранирующим кожухом, Проводники, соединяющие контакты реле с клеммной колодкой были удалены и контакты реле соединялись с остальной частью схемы непосредственно, В качестве генератора низкой частоты, управляющего коммутаторами, . можно использовать симметричный мультивибратор с частотой колебаний около 1 Гц.

Резистор 33 совместно с резисторами

32 и 36 определяют коэффициент передачи операционного усилителя. С выхода операционного усилителя сигнал поступает на согласующий каскад, собранный на транзисторе 34, и затем на базу транзистора 35, который управляет величиной анод5

55 ного напряжения генератора. Резистор 36 является коллекторной нагрузкой транзистора 34.

Когда коммутатор 2 подключает к колебательному контуру генератора измерительный конденсатор 7, коммутатор 3 подключает выход амплитудного детектора

9 к запоминающему конденсатору 10 и неинвертирующему входу усилителя 30. При этом замыкается цепь обратной связи, регулирующая амплитуду генерации. Если амплитуда генератора так мала, что напряжение на выходе амплитудного детектора меньше напряжения, снимаемого с потенциометра 31 на инвертирующий вход операционного усилителя 30, то на выходе операционного усилителя 30 напряжение отрицательно, транзистор 34 закрыт, а транзистор 35 максимально открыт за счет тока, текущего в его базу через резистор

36. Поэтому на генераторную лампу подается максимальное анодное напряжение и амплитуда колебаний генератора увеличивается, Когда амплитуда колебаний генератора увеличится настолько, что напряжение на выходе амплитудного детектора приблизится к напряжению, подаваемому на инвертирующий вход усилителя 30 с потенциометра 31. напряжение на выходе операционного усилителя 30 начнет увеличиваться, открывая транзистор 34, 3а счет нарастающего коллекторного тока транзистора 34 будет увеличиваться падение напряжения на резисторе 36 и снижаться напряжение на базе транзистора 35. Это приведет к снижению анодного напряжения генератора, В результате этих процессов амплитуда генератора установится на таком уровне, которому соответствует приблизительное равенство напряжений, снимаемых с выхода амплитудного детектора и с потенциометра 31.

Когда коммутатор 2 отключит измерительный конденсатор 7 от колебательного контура генератора и подключит к нему эталонный элемент 8, коммутатор 3 отсоединит запоминающий конденсатор 10 и вход усилителя 30 от выхода амплитудного детектора. При этом цепь обратной связи, стабилизирующая амплитуду генерации, разорвется, но напряжение питания анодной цепи генераторной лампы (триода) 17 останется прежним, так как напряжение на неинвертирующем входе усилителя 30 поддерживается на прежнем уровне запо-минающим конденсатором 10, При этом, если емкость и сопротивление измерительного конденсатора не равны емкости и сопротивлению эталонного элемента, то частота и амплитуда генератора изменятся.

1679410

Составитель В, Чеботова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Т. Палий

Редактор Н. Тупица

Заказ 3211 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, yn,Ãàãàðèíà, 101

Эти изменения детектируются частотным и амплитудным детекторами и фиксируются регистраторами 15 и 16.

Минимальное относительное отклонение

AС Я, 5 емкости (=) и сопротивления () измеС R рительного конденсатора от емкости и сопротивления эталонного элемента, которые можно зарегистрировать, составляют соотР"" (С 3 н ="0 (р ийн ="0

С лин что приблизительно на два порядка лучше предельных характеристик, которые можно получить с тем же самым генератором без использования коммутаторов 2 и 3.

Принудительное изменение частоты генератора с помощью ферритового сердечника, вводимого в катушку 18, изменение величины амплитуды генерации с помощью потенциометра 31, а также изменение коэф- 20 фициентов передачи усилителей 13 и 14 низкой частоты не влияют на результаты измерений, Это подтверждает, что использование коммутаторов 2 и 3 в сочетании с синхронным детектированием позволяет 25 устранить обусловленные дрейфовыми явлениями погрешности измерений и обеспечить более высокую чувствительность устройства.

Формула изобретения 30

Устройство для кондуктометрических и диэлектрических измерений,, содержащее генератор высокой частоты, первый выход которого соединен с входом амплитудного детектора, второй выход генератора высокой частоты соединен с входом амплитудного модулятора, измерительный конденсатор, отл ич а ю щеес я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, в него введены эталонный элемент, два коммутатора, генератор низкой частоты, запоминающий конденсатор, частотный детектор, первый и второй усилители низкой частоты, первый и второй синхронные детекторы, первый и второй регистры, входы которых подсоединены соотвемтвенно к выходам первого и второго синхронных детекторов, управляющие входы которых объединены и соединены с выходом генератора низкой частоты и управляющими входами первого и второго коммутаторов, эталонный элемент и измерительный конденсатор через первый коммутатор соединены с генератором высокой частоты, первый выход которого соединен с входом частотного детектора, выход амплитудного модулятора соединен с запоминающим конденсатором, через второй коммутатор — с выходом амплитудного детектора и первым усилителем низкой частоты, выход которого соединен с входом первого синхронного детектора, выход частотного детектора соединен с входом второго усилителя низкой частоты, выход которого соединен с входом второго синхронного детектора.