Автоматический измеритель изменений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 17.07. 81 (21) 3318702/18-21 )$$) М. Кд.з с присоединением заявки №(23) Приоритет

G 01 R 27/26

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 231282. Бюллетень ¹ 47 (53) УДК 621.-. 317. .355(08S.8) Дата опубликования описания 23. 12.82

A.A.Ïîòàïîâ и С.И.Войтов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) АВТОМАТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ИЗМЕНЕНИЙ

СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ И ВРЕМЕНИ PEJIAKCAOHH

1 рам I 1).

Изобретение относится к измерениям параметров диэлектриков, а именно к исследованиям диэлектрических свойств веществ, например, при изучении кинетических и релаксационных процессов, а также при изучении диэлектрического отклика вещества на внешнее воздействие.

Известно устройство для измерения частотных характеристик диэлектрических свойств веществ, содержащее свип-генератор, емкостные делители напряжения, векторомерные фазометры, фазовращатели, вычислительные блоки и панорамные регулирующие приборы, выходы свип-генератора подключены к двум делителям, состоящим из симметрично смонтированных друг к другу и по отношению к входным и выходным цепям емкостных датчиков и добавочных конденсаторов, а выходы датчиков, в поле одного из которых помещается исследуемое вещество, соединены с входами вычислительных блоков, выходы которых подключены к панорамным регистрирующим прибоНедостатком известного устройства является низкая точность изМ рения,обусловленная. неидентнчностью ячеек сравниваемых каналов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения диэлектрической проницаемости, содержащее

СВЧ-генератор, соединенный через

СВЧ-тройник с двумя каналами.иэ последовательно соединенных ферритового вентиля, аттенюатора, трансформатора постоянного сопротивления, выходы каналов соответственно через . опорный и измерительный резонатор соединен со входами СВЧ-детектора, к входу одного из СВЧ-детекторов подключен переключатель мощности, а выход этого СВЧ-детектора соединен с резонансным усилителем, выход другого СВЧ-детектора соединен с регистратором и через блок автоматической подстройки с входом СВЧ-генератора t 21.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная неидентичностью ячеек сравниваемых каналов, а так" же ограниченная разрешающая способность устройства по диэлектрической проницаемости.

983581

Целью изобретения является повышение разрешающей способности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в автоматический измеритель изменений составляющих комплексной диэлектрической проницаемости и времени релаксации, содержащий СВЧ-генератор, соединенный с входом СВЧтройника, измерительный и опорный резонаторы, выходы которых через

СВЧ-детекторы подключены соответственно к входам резонансного усилите. ля и блока автоматической подстройки частоты, выход последнего соединен с входом СВЧ-генератора, и 15 индикатор, введены модулятор, синхронный детектор, третий СВЧ-детектор, два дифференциальных усилителя, два измерителя отношений напряжений, блок опорных напряжений, 20 блок регистрации времени релаксации, причем выход СВЧ-тройника через измерительный и опорный резонаторы соединен с входом СВЧ-детекторов, другой выход первого СВЧ-детектора сое- 25 динен соответственно с одними иэ входов первого дифференциального усилителя и первого измерителя отношений напряжений, другой вход первого дифференциального уси(лителя соединен через третий. СВЧ детектор с ответвителем СВЧ-мощности СВЧ-тройника, а выход — с другим входом первого измерителя otношений напряжений, выход которого соединен с регистратором мнимой составляющей диэлектрической проницаемости и с одним иэ входов второ,го измерителя отношений напряжений, выход которого соединен с регистратором времени релаксации, другой вход второго измерителя отношений напряжений соединен с выходом второ- го дифференциального усилителя, соединенного с регистратором, один иэ входов второго дифференциального. 45 усилителя соединен с выходом блока опорных напряжений, а другой входс выходом синхронного детектора, один иэ входов последнего соединен с выходом резонансного усилителя, 50 а другой вход — с первым выходом модулятора, второй выход которого соединен с другим входом СВЧ-генера,тора.

При этом опорный и измерительный 55 резонаторы выполнены идентичными.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема устройства.

Устройство содержит СВЧ-генера- 60 тор 1, модулятор 2, блок 3 автоматической подстройки частоты, измерительный резонатор 4, СВЧ-тройник 5 опорный резонатор б, СВЧ-детектор 7, резонансный усилитель 8, синхрон- 65 ный детектор 9 дифференциальный усилитель 10, блок 11 опорных напряжений, регистратор 12 действительной составляющей диэлектрической проницаемости, измеритель 13 отношений напряжений, ответвитель 14 СВЧмощности, СВЧ-детекторы 15 и 16, дифференциальный Усилитель 17, измеритель 18 отношений напряжений, регистратор 19 мнимой составляющей диэлектрической проницаемости, регистратор 20 времени релаксации и дифференциальную измерительную ячейку 21, Устройство работает следующим образом.

Выходной сигнал, несущий информацию об изменении диэлектрической проницаемости, формируется в каналах опорного и измерительного резонаторов б и 4, СВЧ-генератор 1, модулированный по частоте модулятором 2, стабилизируется по частоте с помощью олока 3 автоматической подстройки по измерительному резонатору 4, поэтому частота СВЧ-генератора 1 непрерывно поддерживается равной частоте измери- тельного резонатора 4 в процессе измерения. СВЧ-мощность через СВЧ-тройник,5 поступает в канал опорного резонатора б.

Если частота СВЧ-генератора 1 находится в пределах реэонансной кривой опорного резонатора б, то через него проходит СВЧ-сигнал, который выделяется СВЧ-детектором 7 и затем усиливается на частоте модуляции резонансным усилителем 8. Усиленный высокочастотный сигнал подается на синхронный детектор 9. Опорное высокочастотное напряжение на синхронный детектор 9 подается от модулятора 2. С выхода синхронного детектора 9 напряжение поступает на дифференциальный усилитель 10, на второй вход которого подается опорное напряжение с блока 11 опорных напряжений. Напряжением блока ll опорных напряжений задается начальный нулевой уровень на шкале регистратора

12 действительной составляющей диэлектрической проницаемостиЯ, который может быть либо цифровым, либо самопишущим милливольтметром. Одновременно разностное напряжение с диФференциального усилителя 10 подается на измеритель 13 отношений напряжений для формирования выходного сигнала, пропорционального времени релаксации С

"Напряжение на выходе резонансного усилителя 8 пропорционально крутизне резонансной кривой опорного резонатора б, выполняющего функции частотного дискриминатора. Это означает, что в зависимости от соотношения между частотами опорного и измеритепьного резонаторов напряжение на выхо983581 де резонансного уснлнтел 1 8 пропор- ционально производной от сигнала ре- зонансной кривой опорного резонатора 6. Характер и форма выходных сигналов резонансного усилителя 8, синхронного детектора 9 и дифференциального усилителя 10 предопределяют вы бор рабочего участка на резонансной характеристике опорного резонатора б, что достигается выбором. начального соотношения между. частотами опорного и измерительного резонаторов б и 4.

Резонансная кривая опорного резонатора 6 соответствует зависимости напряжения ()Ает СВЧ-детектора 7 (по постоянному току) от частотной расст ройки измерительного и опорного резс наторов 4 и б. Сигнал производной -" резонансной кривой (1ус опорного резонатора б, соответствующий текущей расстройке частот между измеритель- 29 ным и опорным резонаторами 4 и 6, выделяется резонансным усилителем 8.

Напряжению U„ соответствует начальная расстройка частоты опорного ре- . зонатора 6 относительно частоты измерительного резонатора 4, т.е. о н

Формирование выходного сигнала, пропорционального изменению мнимой составляющей диэлектрической прони- щ0 цаемости М, осуществляется в.канале измерительного резонатора 4.

Непрерывное измерейие изменений дЕ. достигается сравнением СВЧ-мощности, поступающей на вход измерительного резонатора 4, с СВЧ-мощностью на его выходе. Для .этого с помощью ответвителя 14 СВЧ-мощности часть

СВЧ-мощности поступает на 1СВЧ-детектор 15,- и его Напряжение принимается опорным для сравнения с напряжением, которое выделяется на СВЧдетекторе 16..В исходном состоянии

СВЧ-мощность до и после резонатора

4 и соответственно напряжение на

СВЧ-детекторах 15 и 16 устанавливаются равными. Напряжение с СВЧ-детекторов 15 и 16 подаются на дифференциальный усилитель 17, на выходе которого текущее напряжение равно разности Д0 = 0 „ -U . От- 50 лU ношение формируется на выходе. (1Ает измерителя отношений напряжений, на соответствующие входы которого паступают сигналы от дифференциального 55 усилителя 17 и СВЧ-детектора 16.

В приближении относительно малых изменений коэффициента диэлектрических потерь Я". шкалу регистратора

19 мнимой составляющей диэлектри-, 60 ческой проницаемости можно проградуировать непосредственно в единицах

Разрешающая способность устройства по определяется начальными потерями вещества (т.е. величи- 65 ной Q) и чувствительностью дифферен циального усилителя 17.

Напряжения с выходов измерителя

18 отношенйй напряжений н дифференциального усилителя 10 подаются на измеритель 13. отношений напряжений, на выходе которого формируется сиг,нал, пропорциональный отношению

1, gtl

Ьб

С целью обеспечения работы уст,ройства прн предельных уровнях чувствительностей по ЬЕ, дЕ", а Г необходимо обеспечить идентичность сравниваемых каналов, содержащих опорный и измерительный резонаторы.

Поэтому измерительный и опорный резонаторы 4 и б выполнены в виде единого блока идентичных резонаторов, образующих дифференциальную измерительную ячейку 21.

Предельно высокая чувствитель,ность истройства позволяет исследо-. вать поведение систем при относительно малый внешних возмущениях, а также исследовать релаксационные процессы, удовлетворяя условию малости взаимодействия между молекулами (например, при.измерителях времейи релаксации и дипольных моментов, полярных молекул в исколярных растворителях при малых концентрациях).

Формула изобретения

1. Автоматический .измеритель изменений составляющих-комплексной диэлектрической. проницаемости и времени релаксации, содержащий СВЧгенератор соединенный с входом СВЧ» тройника, измерительный и опорный резонаторы, выходы которых через

СВЧ-детекторы подключены соответственно к входам резонансного усилителя и блока автоматической подстройки частоты, выход последнего соединен с входом СВЧ-генератора, и индикатор, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности, в него.дополнительно введены модулятор, син" хронный детектор, третий СВЧ-детектор, два дифференциальных усилителя, два измерителя отношений напряжений, блок опорных напряжений, блок регистрации времени релаксации, при-, чем выход СВЧ-тройника через измерительный и опорный резонаторы соединен с входами СВЧ-детекторов, другой выход первого СВЧ-детектора соединен-соответственно с одними.из входов первого дифференциального усилителя и первогб измерителя атно шений напряжений, другой вход первого дифференциального усилителя соединен через третий СВЧ-детектор

983581

Составитель Л.Сотникова

Техред М.Тепер

Редактор И.Николайчук

Корректор A. Гриценко

Заказ 9912/52 Тираж 717

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, X-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 с ответвителем СВЧ-мощности СВЧтройника, а выход — с другим входом первого измерителя отношений напряжений, выход которого соединен с регистратором мнимой составлякщей диэлектрической проницаемости и с 5 одним из входов второго измерителя .отношений напряжений, выход которого соединен с регистратором времени релаксации, другой вход второго измерителя отношения напряжений соединен 1О с выходом второго дифференциального усилителя, соединенного с регистратором, один из входов второго дифференциального усилителя соединен с выходом блока опорных напряжений, 15 а другой вход — с выходом синхрончого детектора; один из входов последнего соединен с выходом резонансного усилителя, а другой входс. первым выходом модулятора, выход которого соединен с другим входом

СВЧ-генератора.

2. Измеритель по п.1, о т л и— ч а ю шийся тем, что опорный и измерительный резонаторы выполнены идентичными.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское Свидетельство СССР

9 381044, кл. G.01 R 27/26, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 263981, кл. G 01 N 27/22, 1966.