Автогенераторный многопараметрический измеритель
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ .К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз . Советских
Социапнстичасиих
Респубпмк (u)911287 (61 } Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 18.03.80 (21) 2896865/18.25 (51)M. Кл.
G 01 N 27/22//
G 01 R 27/26 с присоединением.заявки М
Говудорстоаеый комитет
СССР ло делам изооретеиий и открытий (28) Приоритет
Опубликовано 07.03.82. тиоллетень М 9 (53) УДК 543.257 (088.8) Дата опубликования оннсаиия 07,03.82
-г
- Б. А. Иванов, Ю. А. Скрипник, В. И. Ручкин, A. ИЗБурлакин, В. Н. Рябчун, Ц. Т, Захаров и Г. Г. Хо оэ.
1:,,:;
/ тй и /
Киевский тетиологитеский ииституг легкой ййивюиолещюстк Ф (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ
Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля. изделий н материалов, в частности композиционных материалов на основе полимеров, и может быть использовано как при исследовании их физико-химических свойств, так н в технологических процессах для контроля и управления динамикой изменения свойств объекта по комплексу замеренных физических характеристик.
Известны устройства контроля изделий, материалов и веществ, основанные либо на из мерении приращения диэлектрической проницаемости, либо на измерении фазового сдвига, пропорционального тангенсу угла диэлектрических потерь, и содержащие многоканальные задающий и приемно-преобразовательный тракты, н опорный и испытательный каналы, обеспечивающие выделение двух, сдвинутых на постоянную величину, качающихся частот (1) и (2) .
Недостатком этих устройств является низкая точность из-за существенных погрешностей, связанных с временной нестабильностью и идентичностью трактов преобразования измерительной информации и со сложностью учета влияния нендентичности фаэо-частотных характеристик опорного и испытательного канадов.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, основанное на измерении параметров, связанных с физическими свойствами среды, в полосе частот и содержащее автогенераторы с измерительными ячейками, усилители, детекторы, микропроцессор, автоматический коммутатор, регистрирующее устройство и блок управления (3l
Недостатком известного устройства является низкая точность из-эа существенных погрешностей, обусловленных влиянием временной нестабильности параметров каналов измерения, в которых используются незави-. симые друт от друга автогенераторы и звенья преобразования измерительной информации.
Цель изобретения — повышение точности измерения диэлектрических параметров, связанных с физическими свойствами объекта, в полосе частот.
911287
Поставленная цель достигается тем, что автогенераторный многопараметрический изме ритель, содержащий первый и второй авто.генераторы, к выходам которых последовательно включены смеситель, усилитель ре- S эонансный частоты, фазовращатель, автоматический коммутатор, емкостная измерительная ячейка с объектом измерения, а -также фазовый детектор, регистрирующее устройство, установочный фазовращатель, выход которого подключен к опорному входу фазового детектора, микропроцессор, включенный между выходом фазового детектора и входом регистрирующего устройства, и блок управления, выход которого соединен с управляющими вхбдами автоматического коммутатора и микропроцессора, дополнительно снабжен умножителем частоты на n, (n — 1) избирательными усилителями, (n — 1) фазовращателями, и-входовым сумматором и однополюсным модулятором, причем выход последнего соединен с модулирующим входом второго автогенератора, а вход — с выходом сумматора, и входов которого подключены к выходам фазовращателей,.входы ко- 25 торых соединены.с выходами избирательных усилителей, чьи входы подсоединены к выходу смесителя, при этом вход умножителя частоты на и подключен к выходу усилителя резонансной частоты, его выход соединен Зп с входом установочного фазовращателя, а сигнальный вход фазового детектора соединен с выходом (n — 1)-го фазовращателя.
На чертеже изображена блок-схема пред- 35 лагаемого и-канального измерителя.
Измеритель содержит два автогенератора
1 и 2 (нсточники гармонического напряжения частот, и с соответственно), однополюсный модулятор 3, смеситель 4, усилитель 5 резонансной частоты Ю =- со, избирательные усилители 5z — 5п, настроенные, на соответствующие гармоники частоты 9., умножитель 6 частоты Hà n (n — число каналов измерителя), установочный фазовращатель 7, фазовращатели 8 — 8п, фазовый детектор 9, сумматор 10, микропроцессор 11, автоматический коммутатор 12, емкостную измерительную ячейку 13 с объектом измерения, регистрирующее устройство 14 и блок 15 управления.
Измеритель работает следуюшим образом.
Тестовые разночастотные сигналы формируются путем смешивания частот со и с двух напряжений первого и второго автогеSS нераторов 1 и 2. В результате первого смешивания на выходе смесителя 4 образуется спектр частот, содержащий частоту Q i— i. При этом текущее значение фазы сигнала на выходе усилителя 5< имеет вид
9+ -9,)+ где ф и ф — начальные фазы напряжений частоты ы и ы. соответственно;
Ф вЂ” фазовый сдвиг, вносимый
Фя каналом, содержащим усилитель 5>.
Выделенный усилителем 5> сигнал частоты Я. через фаэовращатель 8, сумматор
10 и однополосный модулятор 3 подается на модулирующий вход второго автогенератора 2; В результате однополосной модуляции в спектре выходного напряжения второго автогенератора помимо несущей частоты сор появляется нижняя боковая, смещенная на частоту Q Легко показать, что второе смешивание частоты со, первого автогенератора 1 с промодулированной частотой второго автогенератора 2, в спектре которого содержатся частоты жя и uz — Q.> дает составляющую с частотой 2 Q., которая выделяется избирательным усилителем 5 .
Текущее значение фазы напряжения частоты
2 Я можно записать как
29- 2Ж -%.>+ % +za i где ф я — фазовый сдвиг, вносимый канад.Я. лом, содержащим избирательный усилитель 5 .
Общее выражение для текущего значения фазы напряжения на выходе М -го канала, содержащего избирательный усилитель 5к, имеет вид
Кя. + ®- Ы+ а+" 4a И где „ — фазовый сдвиг, вносимый каналом избирательного усилителя 5к;
k=1,...,n.
Из выражения (1) видно, что фаза напряжения на выходе и-го канала аддитивно зависит от значения фаз всех предыдуших каналов измерителя. Следовательно, поочередно подключая с помощью автоматического коммутатора
12 емкостную измерительную ячейку 13 с объектом измерения к разночастотным каналам, можно определить фазочастотную характеристику объекта измерения.
В качестве опорного напряжения фазового детектора 9 используется сигнал, полученный в результате умножения на и разностной частоты Q. первого канала с начапьным фазовым сдвигом и(Ф1-мд)+мчу. на сигнальный вход, как было показано выше, поступает напряжение той же частоты, но с фазовым сдвигом, равным
М(Ф H )+9 +Ч р " >> ю, В результате поочередного подключения емкостной измерительной ячейки 13 к выходам фаэовращателей 8) ..., 8п, входящих в соответствующие разночастотные каналы, в запоминающем устройстве микропроцессора
11 фиксируются соответствующие значения фазовых сдвигов ф„на разных частотах от Я до ИЯ..
Назначение фазовращателей 8,, ... S„состоит в исключении погрешности измерения, возникмбщей в результате влияния неидентичности выходного импеданса каналов измерения, что дает различные фазовые сдвиги при подключении емкостной измерительной ячейки 13. Эта погрешность исключается путем предварительной установки фазовращателей 81, ... 8п в соответствующие положения, определяемые режимом калибровки (в отсутствии объекта), Режим калибровки аналогичен режиму измерения.
11287
d — фазовый сдвиг, вносимый объектом
1 I на i-ой частоте;
Е,; — функция, связывающая контролируемые параметры объекта с его
5 эамеренными физическими характеристиками на 1-ой частоте зондирующего сигнала, ° - — диэлектрическая проницаемосп
j-ой компоненты íà i-ой частоте;
)(— концентрация i îé компоненты;
j=1,2, ...,n.
Таким образом, определив фазовые сдвиги, вносимые объектом измерения на разных частотах и .зная значения диэлектрической
15 проницаемости каждой компоненты в отдельности на любой из. заданных частот, можно, решив с помощью микропроцессора 11 систему уравнения (2), найти концентрапию каждой компоненты X материала.
Установочный фазовращатель 7 позволяет изменять начальную фазу опорного напряжения, что обеспечивает максимальную чувствительность фазового детектора 9. Так, например, при измерении малых фазовых сдвигов
hing, вносимых объектом, целесообразно иметь синусоидальную характеристику фазового детектора, имеющую максимальную крутизну вблизи нуля.
При внесении объекта измерения в зону чувствительности емкостной измерительной ячейки 13 в и-й такт коммутации, и-й канал измерения получает приращение фазы
