Способ измерения диэлектрических характеристик и устройство для его осуществления

 

Использование: для исследования диэлектрических материалов. Сущность изобретения: способ заключается в двукратном (с образцом и без образца ) измерении с помощью детекторов 6 напряжения на LC-контуре, связанном через импеданс (сопротивление) 2 с высокочастотным генератором 1 и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку 4 с микрометрическими электродами, и одновременном определении соответствующих резонансу LC-контура расстояний между электродами измерительного конденсатора Увеличение томности измерений достигается дополнительным преобразованием сигнала после квадратичного детектирования в обратно пропорциональный блоком 7. после чего его интегрируют, при этом равномерно перемещают электрод измерительного конденсатора-ячейки, причем интервал интегрирования имеет фиксированную длительность и его середина совпадает с положением электрода, соответствующим резонансу LC-контура а проводимость, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяют по формуле g l/Q xwLf-U/t+U /21UITHJ Ш) 1. где LgJ Q - собстемная добротность (без образца) нагруженного LC-нгонтура, определяется при градуировке; L - индуктивность LC-контура, Г; w - частота измерения, рад/с U - амплитуда резонансного о напряжения на LC-контуре при отсутствующем образце , определяется при градуировке; 21 - диапазон изменения емкости измерительного конденсэ

(в) КЦ (зц 2 (51) 01R 7 3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4807988/21 (22) 22.01.90 (46) 15.10.93 Ьоп. Йд 37-38 (71) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики HllO "Химавтоматика" (72) Подгорный ЮВ. (73) Ангарское опытно-конструкторское бюро автоматики НПО "Химавтоматика" (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕ СТВЛЕНИЯ (57) Использование: для исследования диэлектрических материалов. Сущность изобретения: способ заклкйается в двукратном (c 0 09 и без образца) измерении с помощью детекторов 6 напряжения íà LC-контуре, связанном через имяеданс (сопротивление) 2 с высокочастотньа генератором

1 и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку 4 с микрометрическию электродами и одновременном отределении соответствующих резонансу (С-контура расстояний между электродами измерительного конденсатора

Увелюение тоеости измерений достигается дополнитеаюю преобразованием сигнала после квадраювюго детектироеаея в обратно пропорционалыий блоком 7. пооте чего его интегрируют, при этом равномерно перемещают электрод измерительного конденсатора-ячейщ причем интервал интегрирования имеет фиксированную длительность и его середина совпадает с положением электрода, соответствующим резонансу (С-контура а проводимость, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяю ho формуле

g-1/Ö х«а -1+ t+tP 2 (AU (f)j . где о

Q — собстенная добротность (без образца) нано груженного И-ионтура, определяется при градуировке; L - юдуктивность 0:-контура, Г; о — частота измерения, рад//т„"0 - амплитуда резонансного

Г о напряжения на LC-контуре лри отсутствующем образце, определяется poe ; 2I — диапазон изменения емкости измерительного конденса- ф

2001411 ора,! Ч t гже Ч вЂ” скорость изменения емкости измерительного конденсатора — ячейки, пФ/с, à t— половина времени интегрирования, c; U (f) — напрях жение на выходе интегратора после окончания интегрирования при помещении образца в межэлектродное пространство ячейки; 0 f) — напряжение о на выходе интегратора при отсутствующем образце в ячейке после окончания интегрирования. 4 злфлы,2 ил.

2001411

E

h — (dõ — do) Изобретение относится к из,лерительной технике и может при;леняться для исследования диэлектрических лэтеризлов.

Известен способ измерения диэлектрической проницаемости веществ, основанный на измерении изменения амплитуды переменного напряжения нз колебательном С-контуре. и редва рител ьна расстроенном относительно частоты измерения, после заполнения сго исследуемым веществом.

Устройство для реализации этого способа содержит высокочастотный генератор, через импеданс связанный с LC-контурам с включенным в него измерительным конденсатором-ячейкой, а лплитудный ветектор и вольтметр, Перед измерениями при пустой ячейке резонансный контур настраивают таким образом., что начало отсчета находится на верхней точке линейного участка резонансной характеристики, если частота резонансного контура ниже частоты генератора, или в нижней точке линейнoãî участка, если частота резонансного контура выше частоты генератора. При заполнении ячейки анализируемым веществом ее емкость увеличивается пропорционально диэлектрической проницаемости и напряжение на контуре изменяется на соответствующую величину, Этот способ обладает высоким быстродействием, а устройство для его реализации не сложно.

Недостатками данного способа измерения являются следующие: узкий диапазон измерения, длина оабочего участка характеристики, имеющего нелинейность менее

37, составляет всего несколько пикафарал, низкая точность, обусловленная нелинейностью рабочего участка до 3%, даже при исследовании веществ без потерь. и очень высокая зависимость результатов измерений ат потерь в исследуемом веществе.

Известен споссб измерения диэлектрической проницаемости (см, авт.св. СССР

N765754,,кл. G 01 N 27/22), основанный на измерении амплитуды напряжения высокой частоты на параметрически модулированном LC-контуре с измерительным конденсатором-ячейкой и ее низкочастотной огибающей, при этом диэлектрическую проницаемость определяют па изменению отношения амплитуды низкочастотной огибающей напряжения высокой частоты к кубу амплитуды напряжения высокой частоты до заполнения и после заполнения ячейки исследуемым веществом.

Устройство для ега реализации (1) содержит последовательно соединенные генератор высокой частоты. резистор связи и емкостный датчик, включенный в парэл5

55 лельный измерительный l.Ñ-контур с модулирующим элементам, модулятор, первый амплитудный детектор, вход которого соедичен с измерительным контуром, два делителя напряжений, первые входы которых соединены с выходом первого амплитуднога,детектора, детектор огибающий. выход которого соединен с вторым входом первого целителя напряжений, а вход — с измерительным контуром, два квадратора, блок вычисления квадратного корня, два блока вычитания напряжений и источник опорного напрях:ения, выход которого соединен с одним из входов второго блока вычитания напряжений, второй вход которого через блок вычисления квадратного корня соединен с выходом первого блока вычитания напряжений, один из входов которого связан с выходам первого квадратора, второй амплитудный детектор и перамножитель.

Выходом устройства па действительной (E) cîñòàeëÿþùåé диэлек1рической проницэемас1и является выход перемножителя, а по мнимой (E ) — выход второй схемы вычитания напряжений.

Достоинством описанных способа и устройства является быстродействие, а недостатками — узкий диапазон измерения приращения емкости ячейки, низкая точность измерения диэлектрической проницаемостии (нормируемая погрешность измерения E серийным преобразователем

ДК3ДП80 ТУ 5К2.849.006 составляет 10 ) и практическая непригодность для измерения малых потерь F., Наиболее близки л к предлагаемому способу является способ сохранения емкости, описанный в ГОСТ 22372-77 (метод

Harts-horn. and Ward см. W.Reddish, Precise

measurement of dielectric properties at

radio frequencies. Proc. IEE. voL 118, N 1, January 1971, р. 255, состоящий в измерении с помощью амплитудного детектора ВЧнапряжения на LC-контуре, содержащем измерительный конденсатор с микрометрическими электродами и связанном через импеданс связи с высокочастотным генератором, и двукратной (с образцом и беэ образца) настройке LC-контура в резонанс изменением межэлектродного расстояния в измерительном конденсаторе.

При этом диэлектрическая проницаемость вычисляется па формуле где h — толщина образца;

2001411

d — расстояние между электродами ячейки, соответствующее резонансу контура при помещенном в ячейку образце;

da — расстояние между электродами ячейки, соответствующее резонансу конту- 5 ра при пустой ячейке.

Тангенс угла диэлектрических потерь вычисляется flQ формуле

Оо — Ux 1 ао

2 о

Uãx >uk h — е, 10 где Uro — резонансное напряжение, измеренное на выходе амплитудного детектора, при отсутствующем образце;

U — резонансное напряжение, измеренное на выходе амплитудною детектора, при помещенном в измерительный конденсатор-ячейку образце;

9« — собственная проводимость нагруженного (С-контура, эквива<ентная собст20 венным потерям (пастаянная определяется при градуиравке), См; и< — частота измерения, рад! с;

I . — пас гаянная ячейки, пФ.

Для реализации описанного способа применяются или куметры, или диэлькометры типа ТАНГЕНС-2М, Ш2-5, Ш2-7.

В качестве прототипа выбран диэлькометр Ш2-7, разработанный Ангарским ОКБА. ТУ6-84 5К1.551.028 ТУ., I îñðååñòð

9931-86.

Известное устройство для измерения диэлектрических характеристик, реализующее описанный пасоб, содержит высо очастотный генератор, через импеданс связанный с LC-контуром с включенным в него измеритег<ьным конденсатором с микрометрическими электродами. детектор, преобразоватег<ь перемещения в частоту, вход которого механически связан с подвижным электродом измерительного конденсатора, блок измерений и управления, Устройство работает следующим образом.

Измерительный контур дважды (c образцом и без образца) настраивается в резонанс по максимуму напряжения с помощью изменения расстояния между электродами измерительного конденсатора. Диэлектрическая проницаемость опре50 деляется по резонансным расстояниям между электродами, а потери — по изменению напряжения на выходе детектора.

Недостатками описанного способа яв55 ляются низкие точность и быстродействие, невозможность автоматизации.

Действительно, практически невозможно создать устойчивую систему автоматической настройки (статическую или астатическую) контура в резонанс с помощью микрометрического электрода.

При диаметре электродов ячейки 50 мм и толщине исследуемого образца 1 — 2 мм и диэлектрической проницаемости две-три единицы резонансное межэлектродное расстояние беэ образца d< менее миллиметра, а ширина резонансной характеристики на уровне 0,7 менее 0,1 мм, Поэтому, чтобы обеспечить удовлетворительную точность измерения диэлектрических потерь, установку соответствующего резонансу межэлектродного расстояния d< необходимо обеспечить с погрешностью не более

15 мкм.

Целью изобретения является п-,<шение точности измерения диэлектрич,:. <их потерь при одновременном повышении скорости и автоматизации измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения диэлектрических характеристик, состоящем в двукратном (c образцом и без образца) измерении с помощью детектора напряжения на LCконтуре, связанном через импеданс (сопротивление) с высока <астотным генератором и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку с микрометрическими электродами, и одновременном определении соответствующих резонансу LC-контура расстояний между электродами измерительного конденсатора, дополнительно после квадратичнаго детектирования сигнал преобразуют в обратно пропорциональный и интегрируют, при этом равномерно перемещают электрод измерительного конденсатора-ячейки, причем интервал интегрирования имеет фиксированную длительность и его середина совпадает с положением электрода, соответствующим резонансу LC-контура, а проводимость, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяют по формуле

gx= х

С<„в (2 х(— 1+ 1+ — -(u,(f) — u. (f)) )

2 I где Q,> — собственная добротность (без образца) нагруженного LC-контура. определяется при градуиравке.

L — индуктивность LC-контура, Гц; га †частота измерения, рад/с;

0„— амплитуда резонансного напряжения на LC-контуре при а<су<ствующем образце, определяется при град;иравке, 2I — диапазон изл<е«е«и,< е..«,ости измерительнаг канл" <автор;< н i i < .реале ин2001411

45

55 тегрирования, симметричном относительно резонансного положения подвижного электрода. 1=v . t, где v — скорость изменения емкости измерительного конденсатораячейки, пФ/с, à t — половина времени интегрирования,с:

U,(f) — напряжение на выходе интегратора после окончания интегрирования при помещении образца в межэлектродное пространство ячейки;

0 () — напряжение на выходе интегратора при отсутствующем образце в ячейке после окончания интегрирования.

Интервал интегрирования устанавливают равнь.м времени прохождения ширины резонансной характеристики контура при отсутствующем образце на уровне 0,7. Цель достигается также тем, что в устройство для измерения диэлектри, еских характеристик по предлагаемому способу, содержащее высокочастотный генератор, через импеданс связанный с LC-контуром с BKëþ÷åííûë в него измерительным конденсатором с микрометрическими электродами, детектор, вход которого связан с LC-контуром, преобразователь перемещения в частоту, вход которого механически связан с подвижным электродом и3. 4ерительного конденсатора, блок измерений и управления, выход которого связан с подвижным электродом измерительного конденсатора, а входы блока управления связаны с выходами детектора и преобразователя перемещения в электрический сигнал (частоту). дополнительно введены интегратор, выход которого связан с входом блока измерений и управления, схема формирования выходного сигнала обратно пропорционального входному, включенная между выходом детектора и входом интегратора. причем детектор имеет квадратичную характеристику, а управляющий вход-интегратора связан с дополнительным выходо блока управления и измерений.

Введение операций преобразования после квадратичного детектирования сигнала в обратно пропорциональный и его интегрирования при равномерном перемещении подвижного электрода ячейки в области симметричной относительно положения электрода, соответствующего резонансу

LC-контура, позволило автоматизировать процесс измерения без введения системы авторегулирования и обеспечило повышение точности зэ счет получения более точной информации о резонансной характеристике контура по сравнению с простым измерением резонансного напряжения.

Установление интервэла интегрирования равным времени прохождения ширины резонансной характеристики LC-контура при отсутствуюгцем образце на уровне 0.7 (половины мощности) минимизирует составляющую погрешности, обусловленную его нестабильностью.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были BblRBIleHbl и потому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "существенные отличия

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 — принципиальная схема блока управления и измерений предлагаемого устройства.

Устройство содержит ВЧ-генератор 1, импеданс связи 2, катушку 3 индуктивности, измерительный конденсатор 4 с микрометрическими электродами, преобразователь 5 перемещения в частоту, квадратичный детектор б, блок 7, обратно пропорциональный формирователь сигналов, интегратор 8, блок 9 управления и измерений.

Б lок управления 9 содержит процессор

10, оперативную память ОЗУ 11, перепрограммируемую память ППЗУ 12, панель 13 индикаторную универсальную с клавиатурой, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 14 и 15, преобразователь частота-код

16, формирователь релейных управляющих сигналов 17, реверсивный двигатель 18, реле 19.

Первый выход блока 9 управления и измерений (вал реверсивного двигателя 18) связан с микрометрическим электродом измерительного конденсатора 4, второй выход блока 9 (выход формирователя 17) электрически связан с управляющим входом интегратора 8, включенного между выходом блока 7, преобразующего входной сигнал в обратно пропорциональный, и первым входом 3 блока 9 управления, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами квадратичного детектора 6 и преобразователя 5 перемещения в частоту, Устройство работает следующим образом.

Подвижный электрод опускается на образец, измеряется толщина образца по показаниям преобразователя - f. Дэлее электрод поднимается с постоянной скоростью, при этом периодически (через фиксированный интервал времени) с nr. r сщью

2001411

12 быстродействующего АЦП осуществляется измерение напряжения на выходе детектора Ь. Каждый результат измерения сравнивается с полученным pattee, удаленным От последнего на интервал интегрирования 5 (2I). Пос-е того, как очередной результат измерения окажется меньше полученного ранее, отстоящего от последнего на интервал интегрирования, блоком 9 управления запускаетсЯ интегратор 8, а электрод с той же 10 скоростью начинает перем сдаться в обрат-.

Hohl направлении и ри этом вход интегратора 8 — остается подключенньм к выходу де гектора 6 ерез блок 7 в те«ение времени, СООГВЕтСте,сощРГО ИН1ереаЛу ИНтЕГрИрОВа- 15 ния. ?атсм измеряется напряжение на выходе и тегряroра, Одновреме но с работои интегра гора с <етчиком, раэмегценным в блО,.P. 9 упоавления и измерений, суммлруго1ся импульсы, поступают.ие ча его вход с ?0 и рсооря эо ватРл, . 5 ГеремРьцения в частот

ПО окончании счета в нем фиксируется чисt:О и лпнльгов. соответствиощее резонансt:î " 1р "1ýëåv1ðîät-.ñhnó расстоян.1ю.

Псдобныэ измерения выполняются 25 два>яд (беэ Образца и с Образцом) между лек тг Q,r,ït"1t",: эморительн,го конденсатора г!ри этоht < ОQTttåòñ1îpttrtо фиKcèðóêòся

Ut„(, -- зпряжение ча выходе интегратора и О ; — рез(1нансное межэлектродное рассто-,30

ЯН пе Г, рй Отеу С t ВуЮ.цРМ ОбраэцЕ; Ux(J) И (1x — при налс1чии Образца между электродави1И ЯЧ" éÊÈ.

Определение местонахождения относительно резонансного положе .ия интервала, 35 интегрирования (2!), с целью повышения точности, мо>кно осуществлять с едующим образом, Очередной результат измерения напряжения на выходе детектора 6 суммируетг,я 40 при четном lисл", N измеренktn. укладываюN щихся d интервал 2! интегрирования, r, (— -1)

2 примыкающих к нему предыдущих резульN — 1 45

1атов, а при нечетном числе Л1 — с (— — -1).

Получpttíàÿ сумма сравнива;-тся при четном

N с có.nìîé первых — —, а при нечетном N—

N — 1 50 с суммои первых --- — — — результатов, 2

Если D результате сравнения оказыва ;tt:st, ч10 при зе!ном Л4

==k + tI

Ut.: или г р1 нечетном. N

«М — 1

I=k+4 й> g Ul;

I =k N+1 =к+—

2 то перемещение электрода реверсируется и одновременно запускаются интегратор 8 и счетчик импульсов, поступающих с выхода преобразователя 5 перемещения в частоту на вход блока 9 управления и измерений.

Рассмотрим, каким образом измеренные напряжения на выходе интегратора связаны с диэлектрическими потерями в исследуемом образце.

Известно, что амплитуда (U) напряжения на LC-контуре определяется коэффициентом передачи

AU о! L х(+(()! (С С ) ), (1)

О где Qtt — нагруж н на я доб рот ность па раллельного LC-контура

Оч=- ((л! (— ------ — + go,+ g, ) ), (2)

RI — 1

R, + Xt.tt

2 ((> — частота измерения, рад/с;

L — индуктивность LC-контура, Гц, При чисто активной связи контура с генератором (Xrtt =О) уравнение (1) принимает вид (o L

А= х

К

x (---+((L(C — C,) )О,,(3)

О2 у дГ Х „ — модуль имовдвнсв связи

ВЧ-генератора с LC-контуром;

RI — аКтИВНая СОСтаЯЛЯЮщая ИМПЕдаНСа связи (внутреннее сопротивление генератора), Ом;

Хс — реактивная составляющая импеданса связи, Ом;

gt> — проводимость, эквивалентная собственным потерям в элементах контура;

gx — проводимость, эквивалентная потерям в исследуемом образце;

С вЂ” Ст — отклонение емкости контура от резонансного значения

С-C =С вЂ” — - —;

«т2 (F. — ЭДС генератора, 13

2001411 где Он- f(x)L(— 1+9, +9„))», (4)

R!

Уравнения (1) и (3) можно представить в виде — - F+ В(Со-Сгх), 1 г (5)

U2 где Со-С вЂ” начальная расстройка LC-контура относительно резонанса;

Х вЂ” текущее изменение расстройки емкости контура:

R + Хг. гг»212 Ег Q2 г +

Р»

+ Хсе или

4х 4х

J — -f

o Ux xo Uoo г 2

20 (Ях + 2 Ях (— + Яо ) )

Rf +Хсе 2 Я!

Е Rj + X28 (14) Проинтегрируем уравнение (7) 25

1у4 =1(вх2-2(с.-с,) вх+(с.-с,) в+ ц4Х;

/у4х= /ВХ "B(Cp Сг)Х + (Cp Ñc)Õ +

+ (С.-С,1 B+F) X+M, (8) Е ЧЯ+Х 1

Uro » 1- Оно

Перейдем к определенному интервалу, учитывая, что при симметричных пределах интегрирования относительно резонансной 35 емкости С имеем Со-С =О, тогда можно записать и из (2) 1 Э 1 2

f y4x= BX +FX f = 2) (— В1 +Р) (9) 40 з, з

gx

f 1+

Ш1 Оно

Постоянные Оно, L определяются при градуировке прибора и, соответственнэ, являются собственной нагруженной добротностью и индуктивностью LC-контура, а»»го-резонансное напряжение на контуре при (12) В= + (6)

Е2

Обозначив у=- — — и раскрывая скобки

02 в уравнении (5), получим

y - ВХ -2(Со-Сг)ВХ+(Со+Сг) B+F. (7) Как следует из уравнения (6), коэффициент В не зависит от потерь (gx), вносимых исследуемым образцом, т.е, при одних и тех же пределах интегрирования (-I; +1) имеем при отсутствующем образце

1 г

/ У(gp)dx=21 (— Bl +F(Яо)) (10) —

3 и при образце. помещенном между электродами измерительного конденсатора.

+!

1 2 .) y(Яо+ gx) dx=21 (— ВI +F(g о+ 9 х)) (11) —

Вычитая из (11) уравнение (10), имеем

+! +!

f У(9о+ gx)dx f У(go)dx=21 F(9о+ 9х)-Р(Яо).

Подставляя в уравнение (12) значения из (6) и Он из (2), получим

+! +1

f У(Яо+ gx)4x - J У (go)4x— — 1, в1+хг,.

Е2 х((2 +9 +Я ) — й»

»1 + Xce где Ux — текущая амплитуда напряжения на

LC-контуре при образце в межэлектродном пространстве ячейки;

Uo — текущая амплитуда напряжения нэ контуре при отсутствующем образце, Имея ввиду из (1) при Со-С -0 и 9 -О. (- +gp) =Р» 1

В +Х е Оно Ю I решаем уравнение (14) относительно g, 0 4х 4х

+ 1 + — (f — — f — ) ). (15) А !»»гго

Выражение (15) является харак геристикой преобразования предлагаемого устройства по измеряемой проводимости gx, эквивалентной диэлектрическим потерям в исследуемом образце.

2001411

1.- х

) — (19) 1

2 о ))о

I" v< t 1r1 ох=- vo dt, сс) о О х

1+ " (f ---,"h

Г

h — (d, — d. ) (1 6) 20 л(У о ао

tgr=- — —,, - — Е, (A Ix h (17) (22) (23) г

1 Ufo х

Оно гл . 2 ) < gUx

Л) х

d x

2 о 1А

4 2 2 2 +

5r. (24) отсутствующем образце также определяется при градуировке.

Необходимо отметить, что в выражение (15) изменение емкосги ячейки и пределы интегрирования можно выразить через время (1) где ч, — скорость изменения емкости ячейки при перемещении электрода.

Диэлектрическая проницаемость исследуемого образца вычисляется по формуле где h — голщина образца;

dx — резонансное межэлектродное расстояние при образце внутри измерите,ьного конденсатора;

dp — резонансное межэлектродное ра. . стояние при отсутствующем образце.

Значения h. dx u do определяются по сигналам преобразователя перемещения в частоту, а тангенс угла потерь — no формуле где К вЂ” постоянная ячейки, пФ.

Ьозможны следующие типы составляющи:. погрешности измерения. обусловленных погрешность, о интегрирования: первая

Ag ) обусловлена нестабильностью интервала (2l) интегрирования по отношению к номинальному (установленному), вторая Л g2 обусловлена смещением на Л I середины интервала интегрирования относительно момента г1рохождения подвижным электродом резонансного псложения, при этом длительность интервала интегрирования соответствует номинальной.

Примем во внимание, что колебания длительности интервала интегрирования и смещения его середины, имеют независимый характер при интегрировании с образцом и без него. Продифференцируем выражение (15) / 7 1 о

1+- —, -"-(f - -,"- — ) - - -, )

О, <. Uo переходя к конечным прираг1 ениям, имеем

1 Uro

2 Ъх

Оно 0)L 2) По аналогии для составляющей погрешности измерения проводимости, обуслов15 ленной погрешностью интегрирования без образца, имеем

1 Uro г

Ag, = — — -- -- — - — х

Оно ()) 2 I

Погрешность интегрирования, обусловленная нестабильностью длительности ин ервала интегрирования, может быть

30 представлена следующим образом:

1+ Л1„

Л(/ — -"- ) = ) — — — ) — —, (21) о ))2 о

35 откуда, учитывая (9), (1) и (5). получим

A(f —,— ) =+ Е I-+ „) Л)= о U", (i) )- . 2 . 2

4 2

40 =(— — Оно I + — — )Л).

2 2

1=) ro 1-) )r x

По аналогии получим

М1-- — ) =

d x о U20

2 (Оно ) +, )Л .

2 . 2 1

1-) ro )-) ro

50 Иэ (19). (22), (23) и (14) получим

Age и, = — -- — —-Оно (iJ I

Г, у1+ ) to(rf 1 (r1x 1-" н! --+go))

) 2001411

4 г..Л, 2

1г„г. +

1О ДВ=W2 Дяг,„„,„.. (Э 1) Ду= (26) 20

+ 4L2l2Q„2) (32) 25 хй l Л! Оно у дх

Uх,о г (33) (27) 1+ Л1, 1 — Л! — (1+Л1)Игх о — (1 — Л1)Иг„, 35 aug, д!

dx — -f — --—

Их,о г (28) имеем

1 г! Оно (34) 40

После преобразований с учетом (9), (6) и (1) получим т,е. оптимальный интервал интегрирования соответствует ширине резонанснп11 харак45 теристики контура на уровне 0,7.

4 г

=щ i 02 ihl2 г и« (29) 50

Из (29) видно, что абсолютная погрешность интегрирования не зависит от знака смещения интервала интегрирования и or проводимости исследуемого образца.

55 хйР! Ь!Оно, (36) h0

kg I, Q.o, ш 1 2 l 1+С1нОйГ I- (IIx+2gX(г +ЯО))

7 И

R(+ x„(25)

Составляющая погрешности измерения проводимости, обусловленная случайным изменением длительности интервала интегрирования. определяется по формуле

Погрешность интегрирования, обусловленная случайным смещением середины интервала интегрирования относительно момента прохождения подвижным электродом положения резонанса, может быть представлена в виде

1+ Л!

2Л(У вЂ”;,— — ) = f

И- „. -(1-Л1)И, . г

1+ ЛI

f f — = — х (1 Д1) Иг I U2„2

Л(f - )=в!Л!г=

Ux,о

Подставляя (29) в (19), получим

1 Л!

Л9г, их о„

О«м1 2! (р g(, р1) (30)

Составляющая погрешности измерения проводимости, обусловленная случайным смещением интервала интегрирования, определяется по формуле

Оценим чувствительность способа. Для этого оценим составляющие погрешности измерения, обусловленные погрешностью интегрирования при 9х + О.

ДУ! =V2 (— )(1+

1 Л!

Оно й)! 2 !

ЛЯг = 2 (— )х

h,!

О«.в 2!

Из (32) видно, что составляющая погрешностии, обусловленная нестабильностью интервала интегрирования, зависит от его длительности. Найдем зависимость, определяющую оптимальную длительность интегрирования, из

При gx -ч 0 и lonm из (32) и (33) получим

Лg1 и = V 2 . — — —; (35) 1 Л!

Оно lonm

Дф O)L= — — - х

Л!

2 Оно !оопп или

Лф .й)! =-у — (- ) (36) 2001411

Испытания проводились путем из!лерения диэлектрической проницаемости ГСО (полиэтилена, кварца, корундовой керамики), а также угла потерь СОП (полиэтилена, фто5 роплдста и кварца).

Погрешность измерения диэлсктрической проницаемости составляла 1%, а тангенс угла потерь фторопласта-10 nru значении измеряемой величины 1,2 10

2, Диэлькометр Ш2-7, разработанный

15 Ангарским ОКБА, ТУ6-84 5К1.551.028, ТИ, ГОСРЕЕСТР 9931-86.

Формула изобретения с!!Особ изме! е!!ия .!1и.м!ект! ических хАРлк- 20

ТЕРИСТИК И УСТРОЙГ ТВО ДЛЧ ЕРО ОСУ!!1ЕСТВлеиия

Способ измерения диэлектрических характеристик, состоящий в двукратном (с образцом и без образца} измерении с по25 мощью детектора напряжения на LC-контуре. связанном через импеданс (сопротивление) с высокочастотным генератором и содержащем для помещения образца измерительный конденсатор-ячейку с микрометрическими электродами, и одновременном определении соответствующих резонансу ме кэлектродных расстоянии, отличающийся тем, что, с целью ппвышенля точности измерения ди- 35 электрических потерь при одновременном повышении скорости и автоматизации процесса измерений, дополнительно сигнал после квадратичного детектирования преобразуют в обратно пропорциональный и 4!! интегрируют, а !лнтегрирование осуществляют при равномерном перемещении элек- трода на уча<.тке фиксированной длины, причем середина интервала интегрирования совпадает с положением электрода, 45соответствующим резонансу LC-контура, и проводимость 9х, эквивалентную диэлектрическим потерям в исследуемом образце, определяют по формуле ! 50

Ку =

Х

Юю х} — 1+ 1+Uг 1 (U,IfI — U,tfj)} где QHo - собственная (без образца) добротность на! руженного колебательного контура, определяетгя при градуировке;

Э

L — индуктивность LC-контура. Гн, о>- частота измерения, рад/с;

U, амплитуда резонансного напряжения на } С-контуре (без образца). опреИз (33} также следует, что составл я ющая

A@ не зависит от интервала инте. рирования.

Иэ (36 ) также следует, что при измере1 нии потерь требования к точности определения резонансного межэлектродного расстояния по сравнению с прототипом снижены на порядок, так как вклад случайного смещения середи1 ь; интервала интегрированиР относительно резонансно о положения электрода в погрешность измерения потерь в.:орого порядка малости, а удовлетворительную стабильность интервала интегрирования легко обеспечить.

Для проверки предлагаемого способа и устройства был изготовлен и испытан макет, (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 1277019, кл. G 01 R 27/26, 1986. деляется при градуировке;

2! - интервал интегрирования, симметричнйй относительно резонансного положения подви.кного электрода, } = ч ° t, где v - скорость измерения емкости измерительного конденсатора-ячейки, пФ/с;

t - половина Ремени интегрирования. с;

U><(f} - напряжение на выходе интегратора, устанавливающееся после окончания интегрирования при образце в межэлектродном пространстве ячейки;

U0(j} - напряжение на выходе интегратора, устанавливающееся после окончания интегрирования при пустой ячеике, 2, Способ по п.1, отличающийся тем, чго, с целью повышения точности, интервал интегрирования устанавливают равным времени прохождения ширины резонансной характеристики LC-контура при отсутствующем образце на уровне 0 7 (половины мощности).

3, Устройство для измерения диэлектрических характеристик, содержащее генератор. который через импенданс соединен с детектором и LC-контуром, параллельно которому включен измерительный конденсатор с микрометрическими электродами, подвижный электрод которого соединен с первым выходом блока управления и измерения и входом преобразователя перемещения в частоту, выход которого соединен с третьим входом блока управления и из-! лерения, второй вход которого соединен с выходом детектора. отличающееся тем, что в него введены интегратор и обратно пропорциональный, формирователь сигналов, включенный между выходом детектора и входом интегратора. управляющий вход и

° I ° ° ° ° ° ° !

° °

° ° ° °

° °

° °

° 1 °

° 1

° °: ° °

° !

° ° ° °: . Ф

° В °

° - °; ° ° б ° ° 1: Э

° ° ° ° б °! Э

I I. ° Э

° ° ° I

° °

Э ° б ° Э; I

Э Ф

° °

° °!! ° °:.ЭЭ °! °

° ° °

Ф Г. ° Э

° Э: ° б

° б ° б °

В В ° ° Э

I В

Э ° !

° I : б

° б I

Э б

II ° Э

°: ° ° ° . ° ° . °

° I ° ° б

° °

° б ° °

° ° ° ° °

° Э ° Э

° I

Э °! °

° Э ° Э

° ° б

° ° ° °

Ф

Э ° ° в ° °°:: Ф: ° ° Ф: ° ° Э ° ° °; ° б °

Э

Э Ф °