Устройство для измерения емкости диэлектриков

 

Союз Советсини

Соцнапнстнчесини

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ii 938202 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 23.06.80 (21) 2945696/18-21 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 23.06.82. Бюллетень М 23

Дата опубликоэаиил описания 25.06.82 (5! )М. К,п.

QOl R 27/26

9мударотваиимй комитет

СССР ио делан изобрвтеиий и открытий (53) УДK 621..3 17.335 (088-8) Б. А. ИВ8НОБ, Ю. А. црщщщ, Д, И. Ру,п,и л ф

П Т. Захаров А. F. Кшиис и Л. Г, Айзенберг (72) Авторы изобретения с

Киевский технологический институт легкой промьшщениости (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ

ДИЭЛЕКТРИКОВ

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, и может быть использовано для измерения диэлектрических характеристик разпичных матерна-.

JIOBа

Известно устройство контроля, реали.» зующее способ контроля, основанный на измерении приращений емкости датчика, включенного во времязадающую цепь ипи в нагрузочный контур автогенератора, и содержащее два автогенератора, емкост. ные датчики ипи RC-двухпопюсники, подстроечные конденсаторы (варикапы), фильтры .н индикатор (1

Недостатком извест...ого устройства является низкая чувствительность, обусловленная отсутствием коррекции погрешности измерения.

Наиболее близким цо технической сущности к изобретению является изме- 20 рнтепь плотности смесей, содержащий измерительный генератор с измерительным датчиком в резонансном контуре, опорный генератор, смеситепь, цолосо2 вой фильтр, усилитель-ограничитель, диф

Ференцирукппий элемент, импульсный ох раннчитель, импульсный генератор, интегратор, схему компенсации температу,ры с температурным датчиком, а также включенный в цепь обратной свявю изметжтельного автогенератора компенсатор изменевйй частоты (2) .

Недостатком известного изметжтеля является низкая достоверность результатов измерений иэ-за дрейфа частот измерительного и опорного генераторов под влиянием внешних воздействий. Используемая пассивная компенсация изменений частоты малоэффективна, коррекция же частоты путем автоподстройки затруд щтельна, поскольку дестабилизирующие факторы и полезная информация в равной степени влияют на изменение частоты измерительного генератора.

Ъль изобретения — повышение достоверности результатов измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дпя измерения емкос-.

938202 ти диэлектрнсов, содержащее измерит Юп ный генератор, соединенный входом с первыми выводами изме жтельного и опорного датчиков, выходом с первым входом смесителя, соединенного выходом через полосовой фильтр, частотный детектор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с входом индикатора, опорный генератор, соединенный выходом с вторым входом смесителя, входом - с выходом интегратора и управляющим выводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства, введены конденсатор, коммутатор, первый и второй прерыватепи, высокочастотный усилитель, второй синхронный детектор, делитель частоты M генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми входами первого црерывателя и делителя частоты, соединенного выходом с вторым входом первого синхронного детектора, первым входом коммутатора и первым входом второго прерывателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом — c выходом второго синхронного детектора, соединенного первым входом через высокочастотный усилитепь с выходом частотного детек. тора, вторым входом — с выходом генератора синхросигнала и первым входом первого прерывателя, выход которого соединен через конденсатор с входом опорного генератора, второй вход — с корпусом устройства и вторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствукнцими выводами измерительного и опорного датчиков.

На ф т. представлена блок-схема устроиства: на фиг. 2, I3 — амплитудночастотная характеристика частотного детектора, левый склон которэй условно выбран рабочим и изображен сплошной линией, и эпюр напряжения, снимаемого с выхода частотного детектора; на иг 2, Ь - сплошной линией показан характер изменения несущей (разностной) частоты информационного сигнала, а пунктирной - характер изменения . несущей (разностной) частоты сигнала кор, рекгируюшего воздействия, на фиг. 2, дспектр частот генераторов, причем частота измерительного генератора скачкообразно периодически смещается по частотной оои на величину 5N, зависящую от информативного параметра, и условно изображенную правее положения ю, или же — на величину щ>, зависящую от дсстабилижрующих факторов (смешение на величину (Ь показано пунктирной линией); на фиг. 2, 7., д, С вЂ” эпюры напряжений сигналов на выходе высокочастотного усилителя, второго прерывателя и интегратора соответственно; на фиг. 2, жхарактер изменения частоты 0Uq измери4

1О

I5 тельного генератора в различные периоды работ коммутатора, причем пунктирной линией показано смешение этой частоты за счет влияния дестабилизирующих факторов. Индексы, стоящие у осей ординат на всех рисунках фиг. 2, указывают, к какому блоку устройства относится изображенный график, 50

55 татора 5 к резонансному контуру измерительного генератора 1 подключен образцовый датчик 4, После смецивания частот измерительного 1 и опорного 2 генераторов, из напряжения, поступающего- с выхода смесителя 9„полосовым фильтром 10 выделяется часто1 но-модулированный сигнал с частотами, равными разности

Устройство содержит измерительный

1 и опорный 2 генераторы, измерительный 3 и образцовый 4 датчики, коммутатор 5, варикап 6, баластный конденсатор 7, первый прерыватель 8, смеситель 9, полосовой фильтр 10, частотный детектор 11, усилитель высокой частоты 12, второй синхронный детектор 13, второй прерыватель 14, интегратор 15, генератор 16 синхросигналов, делитель . 17 частоты, амплитудный детектор 18, низкочастотный усилитель 19, первый синхронный детектор 20, индикатор 21.

Устройство работает следующим образом, Выходные сигналы с измерительного.

1 и опорного 2 генераторов поступают на смеситель 9. B результате периодического подключения с помощью первого автоматического прерывателя 8 баластного конденсатора 7 к времязадаюшей цепи опорного генератора 2, частота

I последнего принимает значения либо Ф, 40 либо Q: скачкообразно. При этом частоту манипуляции ИЯ. задает генератор 16.

Частота Ю измерительного 1 и частоты

QUg aug опорного 2 генератора и величина бапастного конденсатора 7 выбираются таким образом, чтобы соблюдалось ссотношение Tb р с Ю с и °

Б ремаме коррекции частоты генератора 2, контакты второго прерывателя

14 замкнуты, а через контакты комму3&202 6

В качестве выходного элемента частотного детектора 11 может быть исполь» зован обычный амплитудный детектор.

В этом случае из амплитудно-частотномодулированного сигнала выделится огибающая в виде напряжения прямоугольной формы частоты OQ., амплигуда которого пропорциональна разности частот

/ о -сэо/ . Это напряжение поступает на избирательный высокочастотный усилит яь 12, настроенный на частоту йй..

В результате этого на вход второго синхронного детектора 13 поступит синусоидальное напряжение частоты И Q, пропорциональное разности частот

/ у — цро /. С åòÎì того, что второй автоматический прерыватель 14 замкнут (и находится в статическом положении), на вход аналогового интегратора 15 (фильтра нижних частот с постоянной

fbi, времени : ) поступит синусоидальI ное напряжение в виде выпрямленных полувопн. После усреднения выходного

5 напряжения детектора 13 в интеграторе 5 постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту асимметрии К, подается в качестве корректирукмцего воздействия на варикап 6. Причем емкость варикапа будет изменяться пропорционально разности частот /(S -0)o / .

При соответствующем выборе фазовых соотношений между входом и выходом замкнутой пепи, состоящей из блоков

2, 9 — 15, 6и7,,т.е. между управляющим воздействием по цепи обратной связи, в качестве которого используется выходное напряжение интеко",,ратора 15, и входным сигналом, пропорциональным разносж частот/<во"-mr I частота опорного генератора 2 перестраивается за счет изменения емкости варикапа до тех пор, пока не будет выполнено условие о = сто = обо . Таким образом, режим коррекции измерителя состоит в выполнении условия К 1 (в определенный такт работы коммутатора 5 и второго автоматического прерывателя 14) . мерительного автогенератора асимметрщч- 20 но относительно частот Ж2 и QD) опорного автогенератора ввиду сложности подбора величины баластного конденсатора.

Поэтому существует коэффициент асимметрии К, равный отношению разностных

О)" (юо H характеризующий взаимное расположение частот автогенераторов на частотной оси. Например, если

К = 1, то Uu< =-ого и на частотной оси

t положение частоты Ю измерительного автогенератора 1 будет симметрично относительно частот Щ. и 0D > опорного автогенератора 2.

Дпя устранения паразитной амплитудной модуляции в составе полосового З5 фильтра 10 имеется элемент амплитудного ограничения сигнала {на фиг. 1 не показано}. Частотно-модулированный сигнал с выхода полосового фильтра 10 поступает на частотный детектор 11, входным элементом которого является узкополосный усилитель, одна из ветвей резонансной характеристики которого захватывает частоты (В о и адьо . Тогда, при наличии неравенства 000 g (e<ð, напряжение разностной частоты будет скачкообразно перемещаться по склону резонансной характеристики детектора 1 1 (фиг. 2, о ) с частотой коммутации И, что приведет к появлению амппитудночастотно-модулированного напряжения.

При этом частота модуляции равна 89., а глубина модуляции пропорциональна коэффициенту асимметрии К.

При К 1сВо - ц )о--Юо, (где No= 55 à.-и — среднее значение разност 2 ной частоты) и амплитудная модуляция сигнала исчезнет.

50 частот автогенераторов в соответствуюший период коммутации баластного конденсатора:

Il» I 1 сто = гю, и ut o =up-ии2

1 где М,, - частота измерительного гене-pampa 1; ссг — частота опорного генератора

2 без баластного конденсатора 7;

uu - частота опорного автогенерара с баластным конденсатором 7;

Ы)р (Вр — разностные частоты, входящие в полосу частот, выделяемую полосовым фильтром 10 из спектра сигнала смесителя 9.

Причем всегда выполняется соотношение Uu< 4 Фо, т.е. на частотной оси

{фиг. 2, д ) положение частоты UU изУказанный режим подсгройки частоты щйпшипиально отличен от классической системы АПЧ, где подстройка частоты осуществляется относительно заданной опорной частоты.

После окончания режима коррекпии второй прерыватель 14 разомкнут, а к резонансному контуру измерительного генератора 1 с помоцц ю автомачического коммутатора 5 подключен измеритель

38202 ный датчик 3. Тогда, вследствие неравенства емкостей измерительного 3 и образцового 4 датчиков, положение частоты OUq измерительного генератора 1 на частотной оси изменится. В результате чего нарушится условие коррекции

К = 1. Это приведет к рассмотренному выше процессу частотной модуляции ра ностной частоты с частотой коммутации Я. балластной емкости конденсатора 7.

После прохождения через блоки 10 и 11 на вход амплитудного детектора 18 поступит сигнал в виде напряжения прямоугольной формы с частотой ИЯ., амплитуда которого пропорциональна разности частот /И)"- ur /, и, следовательно, пропорциональна разности значений емкостей измерительного и образцового датчиков 3 и 4. Однако из-за отсутствия в выходном сигнале амплитудного детектора 18 огибающего сигнала частоты Q (автоматический коммутатор 5 находится в статическом положении), сигнал, пропорциональный разности емкостей измерительного 3 и образцового 4 датчиков, не пройдет через блоки 19 - 21 на выход измерителя.

В динамическом режиме работы коммутатор 5 и второй прерыватель 14 управляются от делителя частоты 17, коэффициент деления которого И соотвеч ствует условию рссиа ссщ>«п и ц „щ,,(и .

В результате поочередного подключе35 ния с частотой Я. измерительного 3 и образцового 4 датчиков к резонансному контуру измерительного генератора lÄ измеритель периодически с частотой Q переходит из режима коррекции в режим измерения. При этом в режиме измерения второй прерыватель 14, работающий синхронно с коммутатором 5, разомкнут.

Поскольку одновременно с низкочастотной коммутацией (Q. ) скачкообразно

45 изменяется частота опорного генератора

2; периодически с частотой ng. принимая значения Щ и Le девиация частоты д

I за пекод коммутации первого прерывателя

8 при К = 1(=а/а=Ж,=Ю1- = )mural

d --(ао+ЬЕ) -(во-СФ = ® где ЬЖ- вели пша, характеризующая изменение частоты измерительного генеpampa 1 эа счет введения в резонансный контур измерительного датчика 3 с контролируемым объектом.

Характер изменения разностной час тоты (закои частотной модуляции) во времени (с девиацией частоты д относительно среднего значения раэностной

"ъ.-А сто = на выходе полосового фильтра 10 показан на фп . 2, о . Проецир я полученный частотно-модулированный сигнал на линейный участок рабочей (левой) ветви резонансной характеристики (фнг. 2,0 реально можно использовать любой из склонов характеристики) входного элемента детектора 11, которое служит преобразователем частота-амплитуда, получим амплитудно-частотно-модулированный сигнал с огибающей частоты Q., пропорциональной девиации частоты

dà = 2.ЬЖ. После детектирования полученного сигнала в выходном элементе детектора 11 напряжение 0.ц (фиг. 2, O ), представляющее собой амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой

ИЯ. и модулирующей частотой Q поступает на входы параллельно включенных блоков 12 и 18. Так как при выборе час тот коммутации выдержано соотношение

Я <ИЯ-, огибающую сигнала низкой частоты A., пропорциональную девиации разностной частоты 8, выделяет амплитудный детектор 18, а первую гармонику несущей частоты сигнала. И выделяет усилитель частоты коммутации 12 (фиг. 2, 2- ). Напряжение частоты и Я. поступает на второй синхронный детектор

13, на опорный вход которого подается (сигнал с коммутационного генератора lb.

В динамике режим коррекции реализуется следующим образом.

Режим коррекции устанавливается при подключении образцового генератора

l и синхронном замыкании контактов второго прерывателя 14. Предположим, что в результате действия дестабилизирующих факторов частота (dq измерительного автогенератора 1 изменилась на величину ЬЮ (смещение частоты Ф пока-. зано пунктиром на фиг. 2, д в статике, а на фиг. 2, yc.— дп амике),. При этом нарушается условие коррекции )(= 1 и появится девиация частоты, вызванная дестабилизирующими факторами, равная

Д = 2ЬК (см. полученное ранее соотношение для д ). На фнг. 2,4 девиалия д средней разностной частоты Щ на выходе полосового фильтра 10 показана пунктиром. После синхронного детектирования сигнал корректирующего воздействия на выходе детектора 13 будет иметь форму выпрямленных пслуволн. А на вход интегратора 15 в соответствующий период коммутации второго

27Z а стъ

9 9382 автоматического прерывателя 14 поступят пачки выпрямленных попувопн (фиг. 2, д ), амплитуда которых пропорциональна величине смещения А(и частоты

Ы3 измернтепьного автогенератора 1.

После усреднения в интеграторе 15 постоянное напряжение (фиг. 2, 8 ), пуль сация которо о может быть уменьшена эа счет увеличения постоянной времени интегратора 2,, поступает в цепь управпения частотой опорного генератора

2, и его частоты à (Э перемещаются по частотной оси до тех пор, пока не выпопнится условие коррекции К = 1 (с точностью до ошибки некомпенсации предпоженной замкнутой динамической системы). При этом величина Ь(йобратится в нуль. Измеряемая же величина

Ас6 не будет скомпенсирована, поскольку в момент прохождения информапионнэ- 20 го сигнала с частотой И (при подкпючении измерительного датчика 3 с контролируемым объектом в резонансный контур измерительного автогенератора 1), пропорционального девиации частоты Д 25 измеритепьного генератора 1, второй прерыватель 14, и, следовательно, цепь коррекции измерителя разомкнута.

Как видно из фиг. 2g и8, а также ЗО иэ соотношения дпя девиации частоты д и условия коррекции (которое поддерживается автоматически), амплитуда сигнала не зависит от абсолютного значения средней раэностной частоты цц в

31 пределах линейности рабочего склона резонансной характеристики входного звена частотного детектора 11, измеряемый параметр, пропорциональный ве личине О не зависит от абсопютных значений частот генераторов и, сцедоватепьно, от медпенных дрейфов этих частот, поскольку частота коммутации

Q. подбирается таким образом, чтобы за период коммутации (2- В/Я. величина

45 дрейфа практически не менялась . Кроме того, испопьзованне идентичных датчиков, выпопненных на одной подпожке по дифференциальной схеме, позволяет уменьшить погрешность измерения, связанную с нестабильностью нзмернтепьноS0 го датчика 3. Это возможно в том спучае, когда внешние факторы (температура, влажность и т.д.) в одинаковой мере влияют на емкости нзмеритепьного 3 и образцового 4 датчиков. Чтобы устранить погрешность, вызванную неравенством значений емкостей датчиков 3 и 4 (в начальный момент), необходимо в

02 10 отсутствие объекта измер жия щмжэвеоти установку устройства в нуль (по индикатору 21). Дпя этого, с помощью подстроечного элемента (не показан), изменяют емкость измерительного датчика 3. При этом:исчезают частотная дед-2 Ю(ф. 2,Е ),и ритепь готов к работе.

Режим измерения осуществпяется после ручной установки нуля и не onatчается от описанного выше.

Спучайные медленные дрейфы частот генераторов 1 и 2, независимо от изменений абсолютных значений частот И, я. + ®g э автоматич . ки искпючаю я

I при выполнении условия коррекции К - г

1. Однако при выборе постоянной времени интегратора 15 (усреднякацего звена) должно быть собпюдено соотношение где à — некоторая постоянная времени генераторов 1 и 2, в течение которой частоты генераторов стабипьньц С„- постоянная времени усредняющего звена (интегратора);

Q- — частота коммутапяи на которую наносится информационный сигнал.

Таким образом, предпагаемая в йэмеритчте коррекция ухода частоты генераторов 1 и 2 с использованием различных частот Я и vlQ коммутации по трактам измерения и подстройки позвопяет. осуществпять автоматическую сепекцию информативного и корректирующего воздейcrass, что дает возможность повысить точность измерения малых щжращений, емкости диэлектрического материала,, связанных с изменением его диэлектрических характеристик. достоинством измеритепя является мерений в два раза по сравнению с известными автогенераториыыи измерителями, основанными на измерении приращений частоты, поскольку в предпагаемом устройстве измеряемое приращение равно д 2 Ю .

Формула изобретения

Устройство дпя измерения емкости диэлектрпсов, содержащее измерительный генератор, соединенный. входом с первыми выводамн измерительного и

ÎÇÉ202

12 опорного датчикову выходом с перв входом смесителя, соединенного выходом через полосовой фильтр, частотный детектор, амплитудный детектор, низкочастотный усилитель - с первым входом первого синхронного детектора, выход которого соединен с входом индикатора, опорный генератор, соединенный выходом с вторым входом смесителя, входом — с выходом интегратора и управляющим выводом варикапа, другой вывод которого соединен с корпусом устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерения, в устройство введены конденсатор, коммутатор, первый и второй прерыватели, высокочастотный усигпггель, второй синхронный детектор, делитель частоты н генератор синхросигнала, выход которого соединен с первыми ?о входами первого прерывателя и делителя частоты, соединенного выходом с вторым входом первого синхронного детектора, первым входом коммутатора и первым входом второго прерывателя, соединенного выходом с входом интегратора, вторым входом — с выходом второго синхронного детектора, соединенного п ервым входом через высокочастотный усилитель с выходом частотного детектора, вторым входом с выходом генератора синхросигнала и первым входом первого прерывателя, выход которого соединен через конденсатор с входом опорного генератора, второй вход — с корпусом устройства и вторым входом коммутатора, соединенного выходами с соответствующими выводами измерительного и опорного датчиЕове

Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 429326, кл. 501 !4 27/22, 1974.

2. Патент США № 4048844, кл. 324-71, 1977 (прототип).

038202, Составитель В. Дворкин

Редаггор А. Шандор Техред К.Мыцьо Корректор М. Псюко

Заказ 4454/69 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по дедам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5, Филиал ППП «Патент«, г. Ужгород, ул. Проектная, 4