Устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов
Область использования: текстильная промышленность, например, контроль нетканых материалов из синтетических материалов. Сущность изобретения: предложено автоматизированное устройство для регистрации параметров резонансного контура, состоящего из автотрансформатора, подстроенного конденсатора и электродной системы. Возбуждение осуществляется на двух симметричных относительно резонансного контура частотах, соответствующих наиболее крутым участкам резонансной кривой. Все частоты осуществляют кратным делением частоты кварцованного генератора , что обеспечивает высокую точность измерения объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон , после операций холстообразования, иглопробивания и термоусадки путем непрерывного возбуждения резонансного контура. 1 ил, (Л С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 27/22
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
8ЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4848313/25 (22) 09.07,90 (46) 30.12.92, Бюл, N 48 (71) Киевский технологический институт легкой промышленности (72) Ю.А.Скрипник, А.И.Дыков и Д.Н,Ахонченко (56) Авторское свидетельство СССР М 1456859, кл. G 01 N27/22,,1985, Авторское свидетельство СССР N 1532859, кл. G 01 N 27/22, 1987, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОБЪЕМНОЙ ПЛОТНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Область использования: текстильная промышленность,. например, контроль нетканых материалов из синтетических материалов. Сущность изобретения: предИзобретение относится к средствам неразрушающего контроля материалов С помощью высокочастотного электрического поля и может быть использовано для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразования, иглопробивания, термоусадки и т.п.
Известно устройство для контроля диэлектрических потерь веществ и материалов, содержащее диэлектрическое основание, . на котором расположены высокбпотенци-. альный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, высокочастотный генератор, соединенный через балластный резистор с высокопотенциальным электродом. множительную схему, к выходу которой подключены соединенные последовательно фильтр низкой частоты. усилитель, управля,„,53,,, 1784904 А1 ложено автоматизированное устройство для регистрации параметров резонансного контура, состоящего из автотрансформатора, подстроенного конденсатора и электродной системы, Возбуждение осуществляется на двух симметричных относительно резонансногб контура частотах, соответствующих наиболее, крутым участкам резонансной кривой. Все частоты осуществляют кратным делением частоты кварцованного генератора, что обеспечивает высокую точность измерения обьемной плотностИ диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразования, иглопробивания и термоусадки путем непрерывного возбуждения резонансного контура. 1 ил, емый выпрямитель и регистрирующий прибор, переключатель и мультивибратор, подключенный к управляющим входом переключателя и выпрямителя, а также фазорасщепитель, регулируемый усилитель высокой частоты, блок стабилизированных напряжений и интегросумматор. один вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты, второй вход и вход начальных условий — к блоку стабилизированных напряжений, а выход соединен с управляю щим входом регулируемого усилителя, включенного между высокопотенциальным электродом и первым входом множительной схемы, второй вход которой через переключатель соединен с выходами фазорасщепителя, подключенного к выходу высокочастотного генератора. . Шкала регистрирующего прибора проградуирована в значениях тангенса угла диэлектрических потерь контролируемого вещества или материала, При изменении обьемной плотности контролируемого материала вследствие иглопрошивания, термоусадки и т.п. изменяются диэлектрические потери в поле датчика, что не обеспечивает высокой точности измерения объемной плотности. Кроме того, нестабильность фазовращателя" и малая крутизна преобразования а Йерйбдйческой фазочувствительной схемы увелйчивают погрешности устройства.
Наиболее близким йо технической сущности к изобретению является устройство дпя контроля обьемной плотности диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциапьный и ниэкопотенциальный и эквипотенциальный дополнительные электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, два высокочастотных управляемых генератора, выходы которых через два высокочастотных усйлителя подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с входом колебательного контура, выход соединен с высокопотенциальным электродом и через повторитель напряжения с эквипотенциальными дополнительными электродами, а также с одним входом множительной схемы, второй вход которой подключен к выходу сумматора, к выходу множительной схемы подключены последовательно соединенные фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, управляемый выпрямитель, управляющий вход которого подключен к выходу мупьтивибратора. регистрирующий прибор, к выходу мультивибратора подключен триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей, одни зажимы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а другие соответственно ко входам питания высокочастотных генераторов, к выходу суМматора подключены также последовательно соединенные амплитудный детектор, второй фильтр низкой частоты, второй усилитель низкой частоты, второй управляемый выпрямитель, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного усилителя, з управляющий вход с выходом мультивибратора. вторичная обмотка автотрансформатора шун. тирована подстроечным конденсатором.
Недостатком этого устройства является также невысокая точность измерейия объемной плотности из-за неизбежной нестабильности двух независимых высокочастотных генераторов. Взаимная расстройка генераторов вызывает смещение рабочих точек на левой и правой ветвях резонансной кривой, .что вызывает появление ложного сигнала о расстройке колебательного контура, 10
Цель изобретения - повышение точности измерения объемной плотности в процессе непрерывного контроля за счет возбуждения колебательного контура одним генератором.
На чертеже показана блок-схема устройства для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, Устройство содержит диэлектрическое основание 1 датчика, на котором расположены высокопотенциальный 2, ниэкопотенциальный 3; первый 4 и второй 5 эквипотенциальные электроды. Электроды выполнены в виде комплзнарнйх кбйцентрических колец, при этом электрод 5 расположен между электродами 3 и 2, а электрод 4 является внешним. В устройство входят также кварцевый высокочастотный генератор 6, первый блок 7 умножения; первый 8 и второй 9 делитель частоты, первый фильтр низкой частоты (ФНЧ) 10, 20 фильтр высокой частоты (ФВЧ) 11, сумматор
12, первый 13 и второй 14 управляемые ключи, автотрансформатор 15 с параллельно подключеннйми подстроечным конденсаторам 16,образующие колебательный контур, 25 повторитель напряжения (ПН). второй блок умножения 18, избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20. второй ФНЧ 21, усилитель низкой частоты 22, управляемый выпрямитель 23 и регистратор 24. Электрод 4
30 через ПН 17 соединен с выходом сумматора
12, первым входом блока 7, электродом 2 и одним из выводов колебательного контура, второй вывод которого соединен с электродом3. Выход генератора 6 соединен с первым
35 входом блока 18 и со входом делителя частоты 8, выход которого подсоединен ко второму входу блока 18 и по входу второго делителя частоты 9. Выход блока 18 соединен со входа* ми ФВЧ 11 и ФНЧ 21, выходы которых под40 ключены по входам сумматора 12 и через ключи 13 и 14 со вторым входом блока 7. . выход которого через последовательно соединенные избирательный усилитель 19. амплитудный детектор 20, ФНЧ 10. усилитель
45 22 и управляемый выпрямитель 23 с регистратором 24. Выходы второго делителя vacтоты 9 соединены с управляющими входами ключей 13 и 14 и выпрямителя 23.
Устройство работает следующим обра50 зом. Диэлектрическое основание 1 датчика с высокопотенцизльным 2 и низкопотенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в материал с контролируемой объемной плотностью. 8
55 такой системе емкость датчика пропорциональна диэлектрической проницаемости материала и зависит от его плотности
С(р) А (ei+e щ ), (1) 1784904
0 = Л со/2 = во/n t (4) p = arctg R Q, (10) где ît — относительная диэлектрическая проницаемость подложки датчика;
e2 — относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала, при неизменном составе. последнего, пропорциональная его объемной плотности;
q = + коэффициент, отражаюФ 3 щий различие в диэлектрических свойствах контролируемого материала и окружающей среды;
e — относител ьная дйзлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха);
А,  — постоянные коэффициенты, определяемые площадью конденсатора датчика, шириной электродов и зазоров между ниМИ;
h — толщина .контроли руемого материала.
Электрическое поле датчика создается с помощью сигнала генератора 6 частотой в= соо
06 = 0ввсоз(йь t + pt) (2) . где аъ — резонансная частота резонансного контура.
Сигнал Ut; перемножается, в блоке 18 с сигналом низкой частоты Q
UB UmgCOS(t+ PB) (3} который формируется делителем частоты
8 с коэффициентом деления п1. Значение низкой частоты Q= w/ п1 выбирают при-. близительно равным половине ширины резонансной кривой h, в на уровне, соответствующим точкам максимальной крутизны резонансной кривой калебэтельного контура, т.е. частота
В результате перемножения сигналов от генератора 6 и делителя 8 в блоке 18 формируется двухчастотный сигнал с годавленной резонансной частотой вь и бо- ковыми частотами вида аЪ:+ Q
UtS = k o Umt UmS (cos ((٠— Q) t + pt -+ ) +
+ cos f (щр + Q) t + pt + tpg ) j, (5) где k n — масштабный коэффициент преобразования блока 18.
Составляющая разнастной частоты в =аь — Q представляет собой .сигнал нижней боковой частоты резонансной кривой, а составляющая суммарной частоты ас =во + И вЂ” сигнал верхней боковой частоты относительно резонансной.
5 Из двухчастотного сигнала (5) выделяют раздельно фильтрами 10 и 21 сигналы раэностной и суммарной частот
021-k л kp Umt Ltmg СОЗ.(а t +<р1- — рз),(6)
011- k л kc Um 1 UmS COS (В, t + ф1 + уа ), (7) где kp u kc — коэффициенты фильтрации на
15 частотах в и а,.
Сигналы разностной (6) и суммарной (7) частот суммируются в сумматоре 12 и вбэбуждают первйчную обмотку автотрансформатора 15, к вторичной обмотке которого подключены подстроечный KQHденсатор 16 и емкость электродной системы . измерительный электрод 2 контролируемый электрод 3, на нижней (раэностнай) и верхней (суммарнай) боковых частотах.
Комплексный коэффициент передачи резонансного контура, образованного автотрансфарматором 15, подстроечным конденсатором 16. электродами 2, 3, при малых расстройках определяется выражением
Uz в Q
"t U в j 1+ дQ г8г
1 где огя = т Т/LC — реаонансная кастета контура; с — емкость, образуемая электродной системой 2 — 3 и подстроечным конденсатором 16, выходящим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала;
|. — индуктивность контура, определяемая а втотрансформатором, 15, 45
Q = cup L/r — добротность резонансного контура, с сопротивлением потерь r; а аь 2 Ли
il — — — . относительная расстройка контура;
Лм — абсолютная расстройка контура.
При этом модуль коэффициента передачи контура а аргумент коэффициента передачи
1784904
Напряжение на резонансном контура с учетом амплитуд и начальных фаз гармоническйх составляющих боковых частот определяется выражением: б
U1 pkp U 1 U s соз (вр t + 1 - + + (pp )+
+k ckcUm1 Umscos(coc t+у1+pa+yg), 10 где k р и k с — коэффициент передачи резонансного контура на частоте ар и вс соответственно; ур и фс — фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром на частотах шр и ас со- 1 ответственно.
Параметры резонансного контура по добраны таким образом, что для частоты сор кРивой ненагРУженного Датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ (il = -О;83); а для частоты Q — на аналогичной точке правой ветви резонансной кривой (Л = + 0,83). Коэффициент передачи резонансного контура на частоте жр о11редеияется его расстройкой на этой частоте (12) 2
-у — " p kp kc Umt Ums x
kn г г х cos (2 Qt +2 рз — 13 выходное напряжение множительной 3r схемы 18 определяется произведением: +(f,) " " 0 "вcoS(Q Ч @8 9,11" ik„k 4 P ms (со Фр1 Щ;Ч8 Чр СОр 1 Щ-ЧВ)--(С р4 У 2 ч чь 6 +9 ч М1 "Р" "с"Ят" (17) i(соф1,ЬЧ Чвiсгс«рЬ<Рi Чв) со8(о с1 t 45 Ч1 " в гс С р М) Q (13) рр = arctgQ 1р, (14) фс= arCtgQi4, где Ар = — — — — относительная расстрой-. СОр СОо аЪ Вр ка контура на частоте вр, Я, = — — — — относительная расстрой- 50 «С . 01о й4 ка контура на частоте вс, Напряжение 016 поступает на первый вход блока 7, на второй вход которой поочередно BоэдействуюT напряжения оТ Фильт- 65 ра 10 и 21 через ключи 13 и 14, которые . периодически переключаются выходным напряжением делителя 9 частоты с коэффициентом деления п2. При замкнутом ключе 13 и разомкнутом ключе 14 выходное йапря"n 2 2 г -р- kp k c kc Um1 Одщ х x cos (2 Q t +2 ив + фс), (18) на частоте в соответственно а фаэовые сдвиги гармонических сбставляющих напряжения 01 по отношению к соответствующим составляющим на выходе сумматора 12 определяется выражения.ми: жение множительной схемы 18 определяется произведением напряжений: "т Мн01вОР*(М8 „X Ф(1) Вkc é) ц п всо5 (Юс +Ч сР8) в в р 1 пар "Ркс11,14 8(сов(М+1 Ча+чр+ в р Я, ФQ Ф СР8)+ СО6 (ЯрЬф,-(8+Сфр-Яс -фМ)+ "т "Рс" сОв,0"„в(сов(Яс ьЧЛ8+ (15) >gс Ис1+Ц> > СЦ81 соз{СаеЬЮ1+%1Щ-Мс Ж+98)) i где k"n — масштабный коэффициент преобразования множительной схемы 18. Составляющая резонансной частоты а -сор = 2 Оусиливается избирательным усилителем 19, настроенным на удвоенное значение выходной частоты делителя 8".,„.г 0 19 .-у- k "p kc Um1 04 х х cos (сОр t + 1р1 — 73 + + — Щ; t — ф1 — +) Тогда выходное напряжение избирательного усилителя 19 имеет вид М U"19 - Г- kp k c kc Um1 Опщ х Х СО$ (СМс t + rP1 + фрэ + ДРс — Сф l — rP1 + rPB) t784904 9 При периодйческой работе ключей Ц и 14 с частотой Q = Q/п2 выходное напряжение избирательного усилителя 19 состоит из пакетов напряжений частоты 2 И, которое детектируется амплитудным детектором 20. Постоянные составляющие продетектйрованных напряжений выделяются фильтром 10 низкой частоты и поочередно с частотой переключения ключей 13 и 14 воздействуют на вход усилителя 22 низкой частоты с коэффициентом усйления k>. Переменная составляющая напряжений (16) и (18) усиливается и с амплитудой " Зтл приращенияЛС приводятксмещению рабочих точек на правой и левой ветвях резонансной кривой контура. Коэффициент передачи койтура на частоте"6>р увепичива5 ется до значения ". . " " о I () 10,...,,, ., .. °... (22) а коэффициент передачи контура на частоте Ш уменьшится до значейия: QI ° 039 — Ulg" 022 = ky — kckpk n x 2 4 I ° с х к"n 01 Umg(k p - к с} (23) )+ (сг (19) выпрямляется управляемым с частотой ком- 20 му ац и Q выпрямителем 23 и фиксируется где Q" - добротность контуРа с увеличением регистратором 24. дополнительных потерь, возникающих в маПри ненагруженном датчике коэффициенты передач резонансного контура йа " . Приэтомвозникаетнеравенствоампли боковых частотах вр и в равны (ь = ь с1. 25 туд(0 19 Г 19) пакетов напряжений на вхоПоэтому переменная составляющая напря- де усилителя 22, Усилителем 22 усиливается переменная согтавпяющая с частотой переПри контакте электродов 2 — 3 датчика с контролируемым материалом в зависимо- наЯ Разности амплитУД высокочастотных сти от значения его объемной плотности а ряженияври")снавыходерезонансного 30 н и происходит Расстройка резонансного кон= контура. Усиленное напряжение поступает тура относительно частоты 0) на УправпЯемый выпРЯмитепь 23 и фикси. Руется регистратором 24, шкапа которого 1, 1 градуируется в единицах объемной ппот сс т)сто с) Формула изобретения где С вЂ” вносимая контролируемым мате- Устройство дпя контроля объемной риалом емкость, пропорц ональная объем- . плотности диэлектрйческих материалов, ной плотности материала р соДержаЩее многоэлектРодный датчик В случае контакта электродов да ика с 40, высокочастотный генератор, сумматор, поконтролируемым материалом составляю- - втоРитепь напРЯжениЯ, колебатепьный конщая А е1 выражения (1) постоянна и тогда тур в виде параппбпьйогй- соединения зто выражение относительно приращения " автотрансформатора и подстроечного конемкости дф от изменения объемной плотно- . ДЕнсатоРа, пеРвый блок УмножениЯ, два Упстир контролируется материала приобретает вид . и ет соединенные амплиудный- детеектор, первый фильтр низкой частоты, усилитель ниэsn кой частоты, управляемый выпрямитель и b C t ) д Ч, (21) регистратор. причем датчик выполнен в ви+ q .. б0 де диэлектрического основания, на котором вь расположены высокопотенциальный, низ- Из выражения (21) следует, что при копотенциальныйидваэквипотенциапьных неизменной геометрии датчика, диалект- электрода, выпопненнйх ь компланарных рических свойств окружающей среды концентрических колец, при этом один из (83) и постоянной толщине контролируе- 65 эквипотенциальных электродов располомогО материала (й), приращение емкости - жен между йизкопотенциальным и высоко) ЬС пропорционально изменейиюобъемной потенциальным электродами, а внешний плотностиp контролируемого материала. эквипотенциальный электрод через повторитель напряжейи(я соедийен с выходом 1784904 Составитель Ю. Скрипник Техред М.Моргентал Корректор A. Козориз Редактор Т, Егорова Заказ 4361 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, ул.Гагарина, 101 сумматора, первым входом блока умножеййя, высокойотенциальным Электродом и одним из выводов колебательного контура. второй вывод которого соединен с низкопотенциальным электродом, от л и ч э ю ще ес я тем, что, с целью повышенйя точности, в него введены избирательный усилитель, фильтр высокой частоты, второй фильтр низкой частоты, второй блок умножения, первый и второй делители частоты, соединенные последовательно, причем вход первого делителя частоты соединен с выходом генератора и первым входом второго блока умножения. к второму входу которого подключен выход первого делителя частоты, выход второго блока умножения соединен со входами фильтра высокой частоты и второго фильтра низкой частоты, выходы ко5 торых подключены к входам сумматора и через ключи соединены с вторым входом первого блока умножения, к выходу кото. рого подключен избирательный усилитель, к выходу которого подключен 10 амплитудный детектор, причем выходы второго делителя частоты соединены с управляющими входами ключей и выпрями-. теля, а.высокочастотный генератор выполнен кварцованным.
