Способ определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости и устройство для его осуществления
Использование: в области электроизмерительной техники, сущность изобретения: на вход емкостного датчика, в электрическом поле которого помещено исследуемое вещество или материал, подают поочередно опорное и испытательное напряжения, в качестве опорного используется низкочастотное переменное напряжение фиксированной частоты, а в качестве испытательного - высокочастотное напряжение регулируемой частоты. Формируют первый и второй сигналы, величину первого сигнала получают в виде произведения веел С
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 R 27/26
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Ж
00 ,О
)Ю
)00
i(fg! ь (21) 4920526/21 (22) 25,03.91 (46) 23.03,93, Бюл. Nã 11 (71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности и Киевский технологический институт легкой промышленности (72) Ю. А. Скрипник, В, А. Балюбаш и В. Н. Замарашкина (56) 1. Кузнецов В, А„Долгов В. А, Коневских
В, М. и др. Справочник. /Под ред, В. А. Кузнецова, — М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 193, рис, 4.8.
2. Авторское свидетельство СССР
N. 381044, кл, G 01 R 31/00, 1971.
3. Авторское с видетел ьство С С С P
N . 1580288, кл. G 01 R 27/26, 1987. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ
ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ
ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование; в области злектроизмерительной техники, сущность изобретения; на вход емкостного датчика, в электрическом поле которого помещено исслед,емое вещество или материал, подают поочередно опорное и испытательное напряжения, в качестве опорного используется низкочастотное переменное напряжение фиксированной частоты, а в качестве испытательного — высокочастотное напряжение регулируемой частоты. Формируют первый и второй сигналы, величину первого сигнала получают в виде произведения ве1803885
10
20 личины подаваемого опорного напряжения на напряжение, получаемое интегрированием низкочастотного тока, протекающего через датчик, а величину второго сигнала — в виде произведения величины подаваемого испытательного напряжения на напряжение, получаемое интегрированием высокочастотного тока, протекающего через датчик. Сравнивают величины постоянных составляющих первого и второго сигналов и изменяют амплитуду испытательного напряженияя до достижения равенства этих постоянных составляющих, Далее сравнивают величины опорного и испытательного напряжений на входе емкостного датчика, измеряют отношение этих величин дополнительным изменением амплитуды опорного напряжения и определяют разность между измеренным отношением и его единичным значением, по которой судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости при изменении частоты испытательного напряжения в заданном частотном диапазоне. Устройство для определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости содержит низкочастотный генератор 1 опорного напряжения фиксированной частоты, делитель 19 частоты, посл едовател ьно соединенные высокочастотный генератор 2 исп ытательного нап ряжения регулируемой частоты и аттенюатор 3, частотомер 20, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора, первый автоматический переключатель 4, последовательно соедиИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости веществ и материалов в широком частотном диапазоне.
Целью изобретения является повышение точности определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости веществ или материалов путем исключения влияния на ее действительное значение активной проводимости и диэлектрических потерь, Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
Переменное напряжение О = Um х х sin (N< т + р ) фиксированной низкой частоты в = const и переменное напряжение Uz = Umq sin (cd t + re) регулируемой частоты а = var поочередно подают на емкостный датчик, в электрическое поле котоненные емкостный датчик 6 и конденсатор
7, последовательно соединенные блок умножения 8, первый фильтр 11 нижних частот, первый усилитель 13 частоты коммутации, первый синхронный детектор
15 и первый индикатор 17, последовательно соединенные второй автоматический переключатель 5, делитель 9 напряжения, амплитудный детектор 10, второй фильтр 12 нижних частот, второй усилитель 14 частоты коммутации, второй синхронный детектор
16 и второй индикатор 18, причем входы первого автоматического переключателя соединены с выходами низкочастотного генератора фиксированной частоты и аттенюатора, а его выход подключен к входам емкостного датчика, второго автоматического переключателя и одному из входов блока умножения, выход емкостного датчика соединен с другим входом блока умножения, управляющие входы первого и второго автоматических переключателей, первого и второго синхронных детекторов соединены через делитель частоты с выходом низкочастотного генератора. Делитель напряжения выполнен в виде последовательно соединенных переменного резистора P или магазина резисторов и постоянного резистора
Р, сопротивление которого кратно десяти, входом делителя является высокопотенциальный зажим переменного резистора или магазина резисторов, а выходом делителя— электрическое соединение переменного резистора и постоянного резистора, второй зажим которого заземлен. 3 и. ф-лы, 1 ил, рого помещают исследуемое вещество или материал. Переменное напряжение фиксированной частоты используют в качестве опорного, а переменное напряжение регулируемой частоты в качестве испытательного, Опорное и испытательное напряжения подают на емкостной датчик поочередно с фиксированной частотой Q = const более низкой, чем частота опорного напряжения (а(щ1).
В один полупериод поочередной коммутации через емкостной датчик под действием опорного напряжения протекает низкочастотный ток
Ii=0m (1+y)) g)+b) х х sin (в t + p> + — — д ) =
1803885 где g> — активная проводимость датчика, обусловлен ная сквозной и роводимость ю вещества и его диэлектрическими потерями;
b> — реактивная проводимость датчика, пропорциональная диэлектрической проницаемости (е) вещества;
g1 д1 = arctg — — угол электрических
Ь1 потерь исследуемого вещества;
Л Um1 у1 — коэффициент, учитываю- 15 п11 щий непостоянство опорного напряжения.
В другой полупериод коммутации под действием испытательного напряжения через датчик протекает высокочастотный ток (2) 3p Us = SzUaU = — S $2 Um> х
1 х(1+ 1) = — S1S20m х
2Ь1 1 2 в1 2
П1 1 х (1+ys) К я(в ), (8) 35 где Яг — крутизна (чувствительность) множительного преобразования.
В другой полупериод коммутации высокочастотное напряжение (7) перемножают с испытательным напряжением Uz и выделяют постоянную составляющую из результирующего сигнала и?мин (10 20) в1 (3) 45
Уравнивают постоянные составляющие поочередно выделенных напряжений (8) и (9) путем изменения амплитуды только испытательного напряжения
b> = в1 К е(в ) (4) 55
Uz = sin (щ t+ )
Ог (10) = Umt (t +1t ) gt+ bt cos(tot t+
+ 971 — 81), (1) 1г=Ытг(1 +)г) gg+b5 х х sin (й 2 t + ()()2 + — — д2 ) =
= U,t (1 + )g ) g) + 1г1 cos (ob t + где gz u bz — активная и реактивная составляющие проводимости датчика на частоте
Юг, Л Um2 — коэффициент, учитываюОm2 щий непостоянство испытательного напряжения при изменении частоты вг.
Частоту й)2 испытательного напряжения изменяют в заданном частотном диапазоне MBKc — й)гмин. ПРИ ЭТОМ ЧаСтатУ ОПОРНОГО напряжения выбирают в 10 — 20 раз меньше минимальной частоты испытательного напряжения
Реактивная проводимость датчика завиСит от частоты приложенного напряжения, а также от е вещества на этой частоте.
Поэтому реактивные проводимости датчика на низкой и высокой частотах различны и могут быть представлены в виде
Ь2 = й)2К (е (в1) Л е (й)2)) (5) где е (в1) — диэлектрическая проницаемость вещества на низкой частоте в1, < (в2 ) = e (йи ) — е (й)2 ) — частотное изменение диэлектрической проницаемости на частоте с относительно низкой фиксированной частоты в1, 1
К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров емкостного датчика, Для исключения влияния частоты на величину реактивных проводимостей токи 11 и
Iz поочередно интегрируют, получая пропорциональные напряжения
Us = Umt (i + yt ) g) + bt x
S1 х sin (в1 t + pi — 8> ); (6) U4- — Umt(1+1г)Я+ь1 х
S1 х Sin (й 2 т + рг — дг ) (7) где S — крутизна (чувствительность) интегрирующего преобразования.
В один полупериод коммутации низкочастотное напряжение (6) перемножается с опорным напряжением 01 и выделяет"я постоянная составляющая из результирующего сигнала
Us = S2U X("+yZ) = S> SZ Um2Х й)2 2 х (1+у2) К (е(в1 ) Ля(вг)), (9) где К вЂ” коэффициент ослабления испытательного напряжения. 1803885 При достижении равенства постоянных составляющих 05 = 06 имеем ществ и материалов относительно невелики (Ле (м2 ) < < я (в1 ) в диапазоне частот до 5 — 10 МГц, то можно считать =1 +.—— 1 Ье йф 2 C(N1 ) (17) К Um1(1+y1 ) я(В1) = Um (1 + у2 ) (Е (В1 ) - Л Е (Са ) ) (11) Тогда определенная разность (16) приоткУда коэффициент ослаблениЯ испыта- 10 нимает значение тельного напряжения 1 Ье(ex Кр 1 2 () (18) Umz (1 +у2) .1(1+у ) Вначале частоту испытательного напряжения устанавливают минимальной и определяют соответствующую ей разность напряжений 12) 20 К 11 1 Ье(МЮ -г (1 9) К "1 — 1= 2 е(м1 ) (20) Um„(1 +y1 ) .)щ (1 +у2) Кр К По значениям разности (19) и (20) судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости в диапазоне частот вмин— s«. Определяя значения разности (18) на промежуточных значениях частоты оМ испытательного сигнала где К, -коэффициент деления низкочастотного делителя, Из равенства (13) следует, что отношение амплитуд опорного и испытательного напряжений можно измерить по коэффициенту деления делителя напряжения, работающего на низкой фиксированной частоте 1 Ье(ra 2 Я(в1) (21) K Um„(1+y„) Кр Um> (1+y) Затем определяют разность между измеренным отношением напряжений и его единичным значением K Um„(1+y1 ) и,2(1+у ) Подставляя в выражение (15) значение установленного коэффициента ослабления (1 2) высокочастотного напряжения, получаем (16) Ko — 1 = Так как частотные изменения диэлектрической проницаемости для многих веДалее измеряют отношение амплитуд опорного и испытательного напряжений на входе емкостного датчика. Для этого сравнивают амплитуды опорного и испытательного напряжений непосредственно на входе емкостного датчика и уравнивают их дополнительным изменением амплитуды опорного напряжения. При уравнивании сравниваемых напряжений с помощью дополнительного делителя опорного напряжения имеем Затем частоту испытательного напряжения устанавливают максимальной и опре25 деляют 40 расчетным путем может быть определена частотная характеристика диэлектрической проницаемости исследуемого вещества или материала. 45 При этом результаты определения разности коэффициентов деления, по которым строится частотная характеристика (я/в), не зависят от уровня и непостоянства опорного и испытательного напряжений (y1 и у ) в 50 диапазоне частот, крутизны S1 интегрирующего и Sz множительного преобразований, диэлектрических потерь (д1 и д ) и сквозной проводимости (Ь1 и Ьг) на низкой и высокой частотах, а также значений коэффициентов 55 ослабления высокочастотного напряжения (К). Устройство, реализующее способ, содержит низкочастотный генератор 1 опорного напряжения фиксированной частоты, высокочастотный генератор 2 испытатель1803885 10 ного напряжения регулируемой частоты, аттенюатор 3, автоматические переключатели 4 и 5, емкостный датчик 6, конденсатор 7, блок 8 умножения, делитель 9 напряжения, амплитудный детектор 10, фильтры 11 и 12 нижних частот, усилители 13 и 14 частоты коммутации, синхронные детекторы 15 и 16, индикаторы 17 и 18, делитель 19 частоты и частотомер 20. Емкостный датчик 6 с исследуемым веществом или материалом входом (высокопотенциальным электродом) соединен с выходом первого автоматического переключателя 5 и одним из входов блока 8 умножения, второй вход которого соединен с выходом (низкопотенциальным электродом) емкостного датчика 6 и конденсатором 7 с заземлен н ым вторым электродом. В ыход блока 8 умножения через первый фильтр 11 нижних частот соединен с первыми последовательно соединенными усилителем 13 частоты коммутации, синхронным детектором 15 и индикатором 17. Один вход первого автоматического переключателя 4 соединен с выходом низкочастотного генератора 1, другой вход через аттенюатор 3— с выходом высокочастотного генератора 2, Один выход второго автоматического переключателя 5 соединен с входом амплитудного детектора 10 непосредственно, а другой выход — через делитель 9 напряжения, Выход амплитудного детектора 10 через второй фильтр 12 нижних частот соединен с вторыми посл едовател ь но соединен н ыми усилителем 14 частоты коммутации, синхронным детектором 16 и индикатором 18. Управляющие входы автоматических переключателей 4 и 5, синхронных детекторов 15 и 16 подключены к выходу делителя 19 частоты, входом соединенного с выходом низкочастотного генератора 1. Частота генератора 2 контролируется цифровым воль тметром 20. Устройство работает следующим образом. Опорное напряжение фиксированной частоты от низкочастотного генератора 1 и испытательное напряжение регулируемой частоты от высокочастотного генератора 2 через автоматический переключатель 4 поочередно воздействуют на вход емкостного датчика 6. Одновременно пакеты этих напряжений поочередно поступают на один из входов блока 8 умножения. Токи, протекающие через емкостный датчик 6, поступают в конденсатор 7, емкость которого выбирается в 100 — 1000 раз больше емкости датчика б с исследуемым веществом или материалом. При таком соотношении емкостей датчика 6 и конденсатора 7 последний 55 выполняет роль интегрирующего преобразователя тока в напряжение, задаваемое реактивным сопротивлением датчика 6. Пакеты падений напряжения на конденсаторе 7, пропорциональные токам датчика 6, поступают на второй вход блока 8 умножения. В результате перемножения пакетов напряжений, пропорциональных напряжению и току емкостного датчика 6, формируются пакеты первого и второго сигналов, постоянные составляющие которых определяются значениями диэлектрической проницаемости исследуемого вещества или материала на частотах опорного и испытательного напряжений соответственно. Постоянные составляющие сигналов выделя ются фил ьтром 11 нижних частот. При неравенстве сравниваемых пакетов напряжений на выходе фильтра 11 нижних частот присутствует переменная составляющая частоты коммутации переключателя 4, который управляется выходным напряжением делителя 19 частоты. Переменное напряжение усиливается усилителем 13 частоты коммутации и выпрямляется синхронным детектором 15, который управляется также выходным напряжением делителя 19 частоты. Выпрямленное напряжение фиксируется первым индикатором 17, Изменяют амплитуду испытательного напряжения аттенюатором 3 до достижения нулевого показания индикатора 17, что соответствует достижению условия (1 2). Входное напряжение емкостного датчика 6, состоящее из пакетов опорного и испытательного напряжений, поступает на второй автоматический переключатель 5, работающий синхронно с первым автоматическим переключателем 4. Автоматические переключатели 4 и 5 сфазированы так, что пакеты высокочастотного напряжения поступают на амплитудный детектор 10 непосредственно. Пакеты низкочастотного опорного напряжения масштабируются делителем 9 напряжения, а затем поступают на вход амплитудного детектора 10. Из выпрямленных нижних частот выделяются пакеты постоянных составляющих, при неравенстве которых появляется переменная составляющая частоты коммутации. Переменное напряжение усиливается усилителем 14 частоты коммутации и выпрямляется синхронным детектором 16. Выпрямленное напряжение фиксируется индикатором 18, Изменением коэффициента деления делителя 9 напряжения добиваются нулевого показания индикатора 18, что соответствует условию (14). Относительное частотное из1803885 R1+ R2 Ко = Rz (22) менение диэлектрической проницаемости исследуемого материала определяют по формуле (21). Делитель 9 напряжения выполнен из переменного резистора R> (или магазина сопротивлений) и постоянного резистора R2, соединенных последовательно. Коэффициент деления определяется соотношением значений сопротивлений этих резисторов. Если за вход делителя 9 выбрать высокопотенциальный зажим резистора В1, а за выход делителя 9 — электрическое сопротивление переменного и постоянного резисторов (второй зажим постоянного резистора при этом заземлен), то коэффициент деления Подставляя значение коэффициента деления (22) в расчетную формулу (21), получаем К вЂ” 1 = = - — — -, (23) Rz 2 e(cuq) где R > — значение сопротивления перемен1 ного резистора на частоте в . Если выбрать R = 10" Ом, где и — целое число, то по величине переменного сопротивления R < можно определить относитель1 ные частотные изменения диэлектрической проницаемости непосредственно в процентах. Так как делитель 9 напряжения работает только на фиксированной низкой частоте, то относительные изменения диэлектрической проницаемости в широком диапазоне частот испытательного напряжения измеряются с высокой точностью калиброванными на низкой частоте резисторами В1 и R2. С помощью предлагаемых способа и устройства исследована частотная зависимость диэлектрической проницаемости сливочного масла в диапазоне частот 1 кГц — 10 МГц. Относительные изменения 8 оказались в пределах 27,5, измеренные с абсолютной погрешностью не более 0,5 . Минимальное относительное изменение частотной зависимости я (порог чувствительности) зарегистрирован на уровне 0,05 на частоте 1 кГц, Формула изобретения 1. Способ определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, заключающийся в том, что на вход датчика подают поочередно опорное и испытательное напряжения, формируют первый и второй сигналы, пропорциональные произведению токов, протекающих через дат5 55 чик, и соответствующих напряжений, сравнивают величины первого и второго сигналов и изменяют амплитуду одного из сигналов входных напряжений датчика до установления равенства сравниваемых сигналов, от личающийся тем,что,с целью повышения точности, в качестве опорного напряжения используют низкочастотное напряжение фиксированной частоты, в качестве испытательного регулируемое по амплитуде и частоте высокочастотное напряжение, величину первого сигнала получают в виде произведения величины подаваемого опорного напряжения на напряжение, получаемое интегрированием низкочастотного тока, протекающего через датчик, величину второго сигнала получают в виде произведения величины подаваемого исп ытател ь ного нап ряжения на напряжение, получаемое интегрированием высокочастотного тока, протекающего через датчик, достижение равенства постоянных составляющих первого и второго сигналов осуществляют изменением амплитуды подаваемого испытательного напряжения, сравнивают величины опорного и испытательного напряжений на входе датчика, измеряют отношение этих величин дополнительным изменением амплитуды опорного напряжения и определяют разность между измеренным отношением и его единичным значением, по которой судят о частотной зависимости диэлектрической проницаемости при изменении частоты испытательного напряжения в заданном диапазоне частот. 2, Устройство для определения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, содержащее низкочастотный генератор фиксированной частоты, высокочастотный генератор регулируемой амплитуды и частоты, два автоматических переключателя, блок умножения, амплитудный детектор и последовательно соединенные усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и индикатор, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены делитель частоты, частотомер, аттенюатор, делитель напряжения, два фильтра нижних частот, вторые последовательно соединенные усилитель частоты коммутации, синхронный детектор и индикатор, последовательно соединенные конденсатор и емкостный датчик, входом соединенный с выходом первого автоматического переключателя, входом второго автоматического переключателя и одним из входов блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика и конденсатором, соединенным вторым 1803885 25 35 45 Составитель Ю.Скрипник Редактор А,Купрякова Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь Заказ 1056 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 электродом с общей шиной, а выход через первый фильтр нижних частот соединен с входом первого усилителя частоты коммутации, один вход первого автоматического переключателя соединен с выходом низкочастотного генератора и входом частотомера, один выход второго автоматического переключателя соединен с входом амплитудного детектора непосредственно, другой выход — через делитель напряжения, выход амплитудного детектора через второй фильтр нижних частот соединен с входом второго усилителя частоты коммутации, а управляющие входы автоматических переключателей и синхронных детекторов подключены к выходу делителя частоты, входом соединенного с выходом низкочастотного генератора. 3. Устройство по и, 2, о т л и ч а ю щ е е5 с я тем, что делитель напряжения выполнен из последовательно соединенных переменного резистора или магазина резисторов и постоянного резистора, сопротивление которого кратно десяти, входом делителя яв10 ляется высокопотенциальный зажим переменного резистора или магазина резисторов, а выходом делителя — общие выводы переменного резистора или магазина резисторов и постоянного резистора, второй за15 жим которого соединен с общей шиной.
