Пристрій для виміру комплексної діелектричної проникності речовини

1. Пристрій для виміру комплексної діелектричної проникності речовини, що містить еталонний резонатор, опорний генератор, вимірювальний резонатор, підключений до входу син хронізації вимірювального генератора, змішувач, ви хід якого через частотомір підключений до входу блока обробки інформації, перший вихід якого з'єднаний з індикатором, а другий призначений для підключення зовнішньої ЕОМ, третій ви хід через перший блок керування частотою підключений до керуючого входу вимірювального генератора, при цьому C2 2 82516 1 3 82516 4 й малих) діелектричної проникності, точності, шиДля підвищення точності виміру використовурокосмуговості частотного діапазону, оперативноють резонаторні методи, у яких порівнюють власні сті й безперервності при вимірі діелектричних парезонансні частоти й амплітуди сигналів на вихораметрів речовин. дах еталонного й вимірювального резонаторів, При хвилеводному методі здійснюється вимір заповнених повністю або частково еталонною й постійної поширення (загасання, фазового набігу) досліджуваною рідинами. для декількох значень стовпа досліджуваної рідиТак відомий діелектрометр [Потапов А.А. Темни [див. Grant Е.Н. Shake complex permitivity пературно-диэлектрическая спектроскопия растmeasurements at 8,6mm wavelength over the воров, ПТЭ, №5, стр.170-177], що складається з temperature rang 1-60 С / Brit. J. Appl. Phys. - 1967. опорного й вимірювального резонаторів, генера- V.18. - pp.1807, Глибицкий Г.М. Диэлектрические торів опорного й вимірювального каналів, спрямосвойства водных растворов сахарозы на частоте ваних відгалужувачів, змішувача, детекторів опор44Гц в диапазоне температур 30-80°С // Радиофиного, вимірювального і юстовочного, блоків зика и электроника, Харьков, Институт радиофиавтоматичного підстроювання частоти частотоміра зики и электроники. - Т.2.- №2. - 1997. - С.156-158]. атенюатора, диференціального підсилювача й Недоліком цих пристроїв є необхідність здійсблоку обробки інформації. нення послідовно декількох вимірів для визначенЧастоти опорного й вимірювального генератоня постійної поширення й по них обчислення дійсрів за допомогою блоків автоматичного підстроюної й уявної частин діелектричної проникності. Це вання частоти підтримуються рівними власними знижує оперативність одержання даних і збільшує частотами опорного й вимірювального резонаторів помилки виміру через погрішності фіксації необвідповідно. Частина потужності генераторів через хідної довжини стовпа рідини. спрямовані відгалужувачі подається на змішувач, Цього недоліку позбавлений пристрій [див. на виході якого утвориться сигнал різницевої часГлибицкий Г.М, Ка шпур В.Α., Малеев В.Я. Устройтоти Df, величина якої оцінюється за допомогою ство для определения диэлектрической проницачастотоміра. Спочатку обидва резонатори заповемости растворов // А.c. СССР №1195229 от нюють тим самим чистим розчинником, наприклад 30.11.85, Бюл. №44, МКИ 4 G01N22/00], що реаліводою так, що їхні частоти майже однакові. Зализує диференціальний метод виміру діелектричної шкова різниця частот використовується у вигляді проникності й має НВЧ генератор, з'єднаний із виправлення при обчисленнях. Введення у вимівхідним плечем Т-мосту, корпус, у якому розміщені рювальний резонатор добавки досліджуваної реперша й друга вимірювальні ячейки, кожна з яких човини приводить до зміни частоти вимірювальноскладається із з'єднаних між собою відрізком хвиго резонатора й, як наслідок, різницевої частоти Df, леводу першої й др угої кювет, однієї для розчину, що вимірюється частотоміром, а потім перетворюіншої для розчинника й вхідного, і вихідного хвиється блоком обробки інформації в значення De'. леводів, установлених відповідно в першому й Для виміру уявної складової e'' застосовується другому кюветах соосно з відрізком хвилеводу й порівняння НВЧ потужності до й після вимірюважорстко закріплених у корпусі, при цьому вхідні льного резонатора. Для цього, у ви хідному стані хвилеводи з'єднані відповідно з першими й другим частина НВЧ потужності генератора вимірювальвихідними плечима Т-мосту, а ви хідні хвилеводи ного каналу через відгалужувач надходить на юспідключені до входів амплифазометра. товочний діод, вихідний сигнал якого вирівнюється Особливістю даного пристрою є більш широкі за допомогою атенюатора з вихідним сигналом функціональні можливості забезпечення безпередетектора вимірювального каналу, коли кювети рвних вимірів поточних значень діелектричної заповнені чистим розчинником. Після заповнення проникності, шляхом порівняння поглинання й фадосліджуваним розчином вимірювального резоназового набігу в першій і другій ячейках, загальні тора зміна амплітуди його вихідного сигналу, що висоти стовпів рідин розчинника й розчину в них одержана на виході диференціального підсилюваоднакові, але розчинника більше, ніж розчину, у ча, надходить у блок обробки інформації для оцінпершої, а розчину більше, ніж розчинника у др угій ки уявної частини діелектричної проникності. ячейці на ту саму величину. Недоліками даного пристрою є: Недоліками такого пристрою є: - його складність (необхідність двох систем - його складність (необхідність наявності двох автопідстроювання частот опорного й вимірюваканалів однакової геометричної довжини й синльного генераторів); хронно змінюваних у протилежних напрямках дов- низька точність виміру e'', обумовлена вплижин поширення в розчині й розчиннику при зберевом на неї нелінійності характеристики вимірюваженні сталості загальної довжини); льного НВЧ діода й мінливістю її від температури, - складність виміру з високою точністю зміни а також неідентичністю амплітудних характеристик відносини амплітуд і різниць фаз двох каналів на юстовочного й вимірювальних діодів, - тобто за НВЧ; рахунок застосування амплітудного методу виміру; - оскільки при поширенні КВЧ у сильнопогли- використання опорного й вимірювального ренаючих середовищах (вода й водяні розчини) везонаторів "на прохід", що ускладнює їхню конструлике поглинання на одиницю довжини (до кцію (необхідно мати два входи), а також погіршує 20дб/мм) пред'являються високі вимоги до точносдобротність, оскільки резонатор навантажений по ті виміру малих переміщень, а також до чутливості двох входах. Це позначається на точності виміру й потенціалу вимірювального комплексу, що придіелектричних характеристик e', e''. Для зниження водить до невисокої точності визначення діелектвпливу останньої обставини необхідно мати слабричних характеристик і концентрацій розчинів. кий зв'язок резонатора з елементами, підключе 5 82516 6 ними до цих входів, що представляє, у свою чергу, зміни частот Df і відносин амплітуд DA=Авим /Ает додаткові вимоги до підвищення чутливості вимівихідних сигналів резонаторів для рідин з відомирювального контуру. ми значеннями діелектричних проникностей (e', e''). Найближчим по технічній сутності й позитивУ цьому випадку на індикаторі будуть відображаному ефекті, що досягається, аналогом (прототитися результати виміру діелектричної проникності пом) є пристрій, описаний в [патенті Росії МПК7 досліджуваної рідини. Як еталонні величини моG01N22/00, 33/22 №2163373 Жуков Б.В., Воронин жуть використатися Df, DA для бінарних розчинів А.А., Тарасов И.А., Фещенко Н.И., Евченко В.И. різних концентрацій або цієї ж величини для рідких «Устройство для измерения параметров жидких палив (наприклад бензинів) маючих різні октанові топлив», опубл. 20.02.2001, Бюл. №5]. Пристрій (цетанові) числа. У цих випадках на індикаторі містить керований генератор, блок обробки інфопісля БОl будуть відображатися або концентрації рмації (БОI), блок керування частотою (БКЧ) керодосліджуваних розчинів або октанове число досліваного генератора, індикатор, блок виміру дійсної джуваних палив. Однак і для розглянутого причастини e' діелектричної проникності, до складу строю характерний ряд недоліків. якого входять генератор опорної частоти, змішуВимір власної резонансної частоти й амплітувач і частотомір, вимірювальний і еталонний резоди відповідного їй максимального відгуку для етанатор, підключені "на прохід" до ви ходу керованолонного й вимірювального резонаторів здійснюго по частоті генератора й зв'язані виходами з ється послідовно, що приводить до зниження відповідними входами детектора блоку виміру точності через нестабільність частоти опорного уявної частини e'' діелектричної проникності, а вигенератора. хід детектора через аналого-цифровий перетвоНастроювання вимірювального генератора на рювач, що входить до складу цього блоку, з'єднавласні резонансні частоти еталонного й вимірюваний із входом e'' БОI. Ви хід генератора опорної льного резонаторів здійснюються по методу макчастоти підключений до одного із входів змішувасимуму: тобто шля хом настроювання на максимача, другий вхід якого з'єднаний з виходом керовальний рівень сигналу на виході відповідного ного по частоті генератора, а вихід - із входом часрезонатора. Відомо, що біля максимуму резонансної характеристики крутість її зміни мінімальна, що тотоміра, підключеного виходом до входу e' БОI, приводить при цьому методі настроювання до один з виходів якого через блок керування з'єдназростання помилок. Оскільки помилка виміру різний з керуючим входом керованого по частоті гениці власних частот опорного й вимірювального нератора, другий вихід БОI підключений до індикарезонаторів визначає похибку оцінки дійсної частора, а третій вихід служить для зв'язку із тини діелектричної проникності, то очевидно, що зовнішньою ЕОМ. У даному пристрої після ввепри використовуваному в пристрої методі існують дення у вимірювальний і еталонний резонатори кювет зі зразками вимірювальної й еталонної рідин принципові обмеження на точність оцінки e' й по(палив) у БОI по зовнішній команді або автоматичв'язаних з нею величин. но виробляється сигнал на БКЧ, що забезпечує Вимір e'' і пов'язаних з нею величин здійснюпрограмну перебудову частоти керованого по часється по вимірах амплітуд сигналів на виходах тоті генератора від її максимального до мінімальопорного й вимірювального резонаторів за допоних значень. Коли частота керованого генератора могою амплітудного детектора. Це значить, що потрапить у смугу пропущення еталонного резонанелінійність амплітудної характеристики конкреттора, на виході детектора з'явиться сигнал, що ного використовуваного діода необхідно враховучерез аналого-цифровий перетворювач надійде на вати при вимірах, що ускладнює алгоритм обробки вхід e'' БОI й переведе його до режиму пошуку ма(необхідне проведення її обмірювань), а мінликсимальної величини цього сигналу, що відповідає вість цієї характеристики в часі й під впливом темнастроюванню частоти керованого генератора на ператури обмежує точність виміру й пов'язаних з резонансну частоту еталонного резонатора, для нею величин. якої реєструється максимальна величина вихідноДля зниження впливу вимірювального генераго сигналу еталонного резонатора, а також реєсттора й детекторів на добротність вимірювального рується отримана різницева частота між керовай еталонного резонаторів, якими визначаються ним і опорним генераторами, вимірювана потенційні точності виміру, Df, A, і в остаточному частотоміром по вихідному сигналу змішувача. підсумку, e', e'' необхідно використати слабкий Після реєстрації цих величин БОI продовжує зв'язок між ними - при цьому виміри здійснюються перебудову частоти керованого генератора, в при малих рівнях сигналів, що знижує (через вплив процесі якої аналогічним образом виробляється шумів) їхню точність, або необхідно використати пошук, визначення й реєстрація максимальної розв'язки з невзаємних елементів (вентилі, циркувеличини вихідного сигналу вимірювального резолятори), що ускладнює й здорожує конструкцію. натора, а також різницевої частоти між частотою Розглянутий пристрій при використанні стабівимірювального генератора, що відповідає максильного опорного генератора і температурної стамальному відгуку й частотою опорного генератора. білізації вимірювального діода може використовуОбмірювані різниці резонансних частот і відносини ватися для контролю відхилення діелектричних амплітуд сигналів з виходів вимірювального й етахарактеристик вимірюваної рідини на етапі вироблонного резонаторів рівняються з еталонними веництва від еталона, однак існує ряд принципових личинами, що зберігаються в базі даних БОI й реобмежень, які були розглянуті ви ще, по точності зультат порівняння виводиться на індикатор і виміру абсолютних значень діелектричної проникможе надходити на вхід зовнішньої ЕОМ. Як етаності (e', e'') і функціонально пов'язаних з ними велонні величини можуть зберігається, наприклад, 7 82516 8 личин ( концентрацій розчинів, октанових чисел ра, на Фіг.4 - епюри сигналів, що пояснюють рідких палив і т.п.). роботу пристрою в режимі калібрування, а на Фіг.5 В основу винаходу поставлено задачу вдоско- епюри сигналів, що пояснюють роботу пристрою налити пристрій для виміру комплексної діелектв режимі вимірів. ричної проникності речовини шляхом заміни ампПередбачуваний пристрій для виміру комплеклітудни х вимірів рівня сигналу, що пройшов через сної діелектричної проникності речовини (Фіг.1), вимірювальний резонатор при заповненні останмістить еталонний резонатор 1, опорний генеранього еталонною й вимірювальною рідинами, на тор 2, вимірювальний резонатор 3, підключений до частотні виміри - крутості електронної перебудови входу синхронізації вимірювального генератора 4, автогенераторів з вимірювальним і еталонним змішувач 5, ви хід якого через частотомір 6 підклюрезонаторами при заповненні їх різними рідинами, чений до входу блоку обробки інформації 7, перщо приводить до підвищення точності вимірів діеший вихід якого з'єднаний з індикатором 8, другий лектричної проникності при одночасному спрослужить для підключення до зовнішнього ЕОМ, а щенні алгоритму й зменшенні часу вимірів; заміна третій вихід через перший блок керування частовимірів зміни власної частоти резонатора, на яку тою 9, підключений до керуючого входу вимірювасистемою автопідстроювання частоти настроювального генератора 4. Виходи опорного й вимірювся вимірювальний генератор, при заповненні ревального генераторів 2, 4 підключені до зонатора різними рідинами на вимір різниці частот відповідних входів змішувача 5. Пристрій, що заавтоколивань генераторів один із яких стабілізоявляється, містить також другий блок керування ваний вимірювальним, а інший еталонним резоначастотою 10, при цьому його вхід з'єднаний із четтором, спрощує пристрій та підвищує точність вивертим виходом блоку обробки інформації 7, а міру діелектричної проникності й зменшує час, вихід з керуючим входом опорного генератора 2, необхідний для вимірів. до входу синхронізації якого підключений еталонПоставлена задача вирішується тим, що в ний резонатор 1. Обидва резонатори - вимірювапристрій для виміру комплексної діелектричної льний 3 і еталонний 1, підключені на "відбиття". проникності речовини, що містить еталонний реОбидва генератори: опорний 2 і вимірювальзонатор, опорний генератор, вимірювальний резоний 4 - (Фіг.2) виконані у вигляді відрізка прямокутнатор, підключений до входу син хронізації виміного хвилеводу 11 між широкими стінками якого, рювального генератора, змішувач, ви хід якого посередині їх розміщається генераторний діод 12, через частотомір підключений до входу блоку ободин кінець якого з'єднаний з однією широкою стіробки інформації, перший вихід якого з'єднаний з нкою хвилеводу, а інший - 13, ізольований від проіндикатором, другий служить для підключення зотилежної широкої стінки хвилеводу й служить для внішнього ЕОМ, а третій ви хід через перший блок подачі живлячої напруги й напруги керування часкерування частотою підключений до керуючого тотою. Один кінець відрізка прямокутного хвилевходу вимірювального генератора, при цьому виводу 14 є входом синхронізації, а інший 15 - вихоходи опорного й вимірювального генераторів піддом генератора. ключені до відповідних входів змішувача, додаткоЕталонний і вимірювальний резонатори 1, 3 во уведений другий блок керування частотою, при (Фіг.3) являють собою квазіоптичні діелектричні цьому його вхід з'єднаний із четвертим виходом резонатори, кожний з яких виконаний у вигляді блоку обробки інформації, а вихід - з керуючим напівдиска 16 з діелектрика, розташованого підвходом опорного генератора, до входу син хроніставою на металевому дзеркалі 17, у якому роззації якого підключений еталонний резонатор, при ташовується діафрагма зв'язку 18 з генератором, цьому обидва резонатори, вимірювальний і етаа в напівдисковому резонаторі паралельно його лонний, підключені на "відбиття". Опорний і виміосі виконаний круглий отвір 19 для розміщення рювальний генератори можуть бути виконані у капіляра 20 з досліджуваною або еталонною рідивигляді відрізка прямокутного хвилеводу, між шинами (речовиною). Запропонований пристрій для рокими стінками якого по їхній середині розміщавиміру комплексної діелектричної проникності реється генераторний діод, один кінець якого з'єдначовини працює в такий спосіб. До синхронізуючих ний з однією широкою стінкою хвилеводу, а інший входів опорного 2 і вимірювального 4 генераторів ізольований від протилежної широкої стінки хвипідключені відповідно еталонний 1 і вимірювальлеводу й служить для подачі живлячої напруги й ний 3 резонатори. Оскільки добротність резонатонапруги керування частотою, при цьому один кірів істотно вище, ніж власні добротності генератонець відрізка прямокутного хвилеводу є входом рів, тому що в останніх вони визначаються синхронізації, а інший виходом генератора. Етареактивностями генераторного діода у відрізку лонний і вимірювальний резонатори можуть являпрямокутного хвилеводу, у той час як у напівдисти собою квазіоптичні діелектричні резонатори, кового квазіоптичного резонатора існують висококожний з яких виконаний у вигляді напівдиска з добротні режими коливань типу "галереї, що шедіелектрика, розташованого підставою на металепотить" (добротність може мати величину (1...10)* вому дзеркалі, в якому перебуває діафрагма зв'яз103), то генеруємі ними частоти, у першу чергу, ку з генератором, а в напівдисковому резонаторі будуть визначатися власними резонансними часвиконаний круглий отвір для розміщення капіляра тотами резонаторів. з досліджуваною або еталонною рідиною. Зупинимося на цьому моменті трохи докладСутність винаходу пояснюється ілюстраціями, ніше. Попередньо у вимірювальному й еталонному де на Фіг.1 представлена структурна схема прирезонаторах розміщаються капіляри з еталонною строю, на Фіг.2 - схематичне зображення генераречовиною для якої відома діелектрична прониктора, на Фіг.3 - схематичне зображення резонатоність. Такими речовинами можуть бути повітря 9 82516 10 на керуючий вхід др угого блоку керування часто(e''»1; e''»0), дистильована вода, фторопласт, тобтою 10 у моменти часу з 0 до t1 високого потенціато ті речовини, діелектричні характеристики яких відомі з високою точністю. Блок обробки інформалу - U1=U0+DU, далі з t1 по t2 низького потенціалу ції 7 по зовнішній команді або автоматично виробU0. Далі цей цикл повторюється, тобто з моменту ляє сигнали керування, що надходять на четверчасу з t 2 по t3 подається високий потенціал U1, а з тий і третій виходи блоку обробки інформації t3 пo t4 низький потенціал U0 (Фіг.4а). Із третього (Фіг.4а, б). Під впливом напруг високого потенціакеруючого виходу блоку обробки інформації 7 на лу із четвертого й третього виходів блоку обробки керуючий вхід першого блоку керування частотою інформації 7 (Фіг.4а, б відповідно) на виходах дру9 у моменти часу з 0 до t2 високі потенціали гого й першого блоків керування частотою 10,9 U1=U0+DU, далі з t2 пo t4 низькі потенціали U0 виробляються напруги керування, що забезпечу(Фіг.4б). ють появу на виходах опорного й вимірювального На виході змішувача 5 утвориться сигнал різгенераторів 2,4 сигналів з частотами f1=f0+fD+D й ницевої частоти, що виміряється частотоміром 6 і дані вимірів передаються в блок обробки інфорf2=f 0+D, що відрізняються на значення заздалегідь мації 7 для обчислення по них діелектричних хаобраної проміжної частоти fD (Фіг.4в, г). При низьрактеристик середовища. Значення різницевої кому потенціалі на третьому й четвертому виходах частоти сигналів опорного 2 і вимірювального 4 блоку обробки інформації 7 на виходах другого й генераторів, що утворюється на виході змішувача першого блоків керування частотою 10,9 вироб5 - Фіг.4д в різні інтервали часу визначається співляються напруги керування, що забезпечують повідношеннями: яву на виходах опорного й вимірювального генераторів 2,4 сигналів з частотами f1=f0+fD-D й f1=f 0-D, де `f1=f0+fD й `f2=f 0 - середні значення частот генеDf 0 01 = f 0 - f 0 = f D - під час з 0 до t 1 ; 1 2 рації опорного й вимірювального генераторів за 0 0 0 цикл калібровки, чи вимірювань, а D - відхилення Df 12 = f - f = f D - 2D 0 - під час із t 1 по t 2 ; 1 2 частоти від середнього значення, тобто девіація (1) частоти (Фіг.4в, г). Частоти опорного й вимірюваDf 0 23 = f 0 - f 0 = f D + 2D 0 - під час із t 2 по t 3 ; 1 2 льного генераторів 2, 4 визначаються власними 0 0 - f 0 = f - під час із t по t ; частотами еталонного й вимірювального резонаDf 34 = f D 3 4 1 2 торів 1, 3 відповідно. Оскільки капіляри, уведені в резонатори, заповнені однаковою еталонною ре0 0 човиною, то й середнє значення частот вимірюваде: f1 , f 2 - частоти опорного 2 і вимірювальльного й опорного генераторів при подачі на перного 4 генераторів на інтервалі 0-t4; ший і другий блоки керування частотою 9, 10 високого або низького потенціалів і однакових наf 0 =f0 - середнє за період калібрування (0...t4) 2 пругах на їхні х ви ходах будуть також однакові. значення частоти вимірювального генератора 4 Різниця частот, рівна проміжній частоті fD, забезпри заповненні вимірювального резонатора 3 капіпечується відповідним регулюванням вихідної наляром з еталонним середовищем; пруги другого блоку керування частотою 10. Необхідно відзначити, що перебудова частоти при f 0 =f 0 + f D - середнє за період калібрування подачі високої й низької напруг характеризує кру1 тість перебудови частоти відповідного автогенера(0…t4) значення частоти опорного генератора 2 тора. Оскільки існує зв'язок між крутістю електропри заповненні еталонного резонатора 1 капіляром з еталонним середовищем; нної перебудови генератора, стабілізованого по частоті високодобротним резонатором, зі зміною Df0ij - значення різницевої частоти між частойого частоти, то девіація частот вимірювального й тами опорного 2 і вимірювального 4 генераторів на опорного генераторів характеризує добротність інтервалі часу tij при калібровці. резонаторів, заповнених еталонною речовиною й fD - проміжна частота; може використатися для оцінки уявної частини D0 девіація частоти опорного 2 і вимірювальнодіелектричної проникності речовини. го 4 генераторів при внесенні в еталонний 1 івиміНеобхідно відзначити, що проміжна частота fD рювальний 3 резонатори капілярів, заповнених - середнє значення різницевої частоти опорного 2 і еталонним середовищем. вимірювального 4 генераторів у процесі регулюЗа цикл калібрування, що триває в плині інвання другого блоку керування частотою 10 вибитервалу часу з 0 до t4, здійснюється вимір за дорається таким чином, щоб різницева частота Df помогою частотоміра 6 різницевих частот між опоміж частотою опорного 2- f1 і вимірювального 4- f2 рним 2 і вимірювальним 4 генераторами. генераторів була більше нуля, причому з урахуВикористовуючи отримані значення (1) у блоці ванням можливих змін частоти вимірювального обробки інформації 7 обчислюються середнє знагенератора 4, обумовлених заповненням вимірючення різницевої частоти D f 0 й девіація частоти D вального резонатора 3 різними типами досліджуза цикл калібрування: ваних діелектриків. Це пов'язане з тією обставиною, що поява негативної різницевої частоти на виході змішувача 5 приводить до зміни фази на 0 0 0 0 Df 0 = æ Df01 + Df12 + Df23 + Df34 ö / 4 = fD ; ç ÷ 180°, що не фіксується вимірювальною схемою. è ø (2) Цикл калібрування складається в подачі із четверæ Df 0 - Df 0 + Df 0 - D f 0 ö / 4 = D D = ç 01 того керуючого виходу блоку обробки інформації 7 ÷ 0 12 23 34 ø è 11 82516 12 ної частоти резонатора і його добротності. Ці хаСереднє значення різницевої частоти за цикл рактеристики визначають параметри автоколивального процесу, що виникає у вимірювальному вимірів дозволяє визначити проміжну частоту fD. генераторі 4. Так власна частота вимірювального Необхідно відзначити, що в режимі калібрування резонатора 3 при подачі на вимірювальний генеабо іншими словами настроювання пристрою виратор 4 постійні рівні живлячої напруги буде виміру комплексної діелектричної проникності речозначати частоту генеруємих коливань, а при подавини здійснюється регулювання середнього значення живлячих напруг на виходах першого й чі меандру, як це має місце в нашому випадку, середнє значення частоти генеруємих коливань. другого блоків керування частотою 9,10, а також Таким чином, зниження власної частоти вимірюамплітуд напруг, що модулюють, на їхніх ви ходах вального резонатора 3 приведе до зменшення таким чином, щоб забезпечити необхідні значення середнього значення (за цикл вимірів 0£t£t4) часпроміжної частоти fD й однаковість девіації частоти тоти вимірювального генератора 4 - Фіг.5г. D0 для обох генераторів. Зниження добротності Q вимірювального реРежим виміру аналогічний режиму калібруванзонатора 3 через збільшення e'' приведе до зросня (настроювання). Після введення у вимірювальтання крутості електронної перебудови стабілізоний і еталонний резонатори 3,1 капілярів, заповнених зразками вимірюваної й еталонної речовин ваного ним вимірювального генератора 4. Оскільки як у режимі калібрування, так і в режимі у блоці обробки інформації 7 по зовнішній команді вимірів амплітуда сигналу керування частотою з або автоматично виробляються сигнали керуванвиходу першого блоку керування частотою 9 однаня, що надходять на третій і четвертий виходи кова, то збільшення крутості перебудови вимірюблоку обробки інформації (Фіг.5б, а). При цьому на виходах першого й другого блоків керування часвального генератора 4 через падіння добротності вимірювального резонатора, при заповненні його тотою 9,10 формуються ті ж керуючі напруги, що й досліджуваним середовищем, приведе до зросдля попереднього випадку калібрування. Оскільки тання амплітуди (девіації) зміни частоти - Фіг.5г під в еталонному резонаторі 1 розміщається капіляр з впливом східчасто змінюючоїся напруги - Фіг.5б. еталонною рідиною, то частота опорного генератора 2 у режимі вимірів - Фіг.5в така ж як і в режимі Цикл виміру аналогічний циклу калібрування. Частота сигналу з виходу змішувача 5 - Фіг.5д вимірякалібрувань - Фіг.4в. Розміщення у вимірювальноється частотоміром 6 і дані вимірів надходять у му резонаторі 3 капіляра з досліджуваною рідиною блок обробки інформації 7. Поводження різницевої приводить до зміни його власної частоти f0 й добротності Q. Для визначеності будемо вважати, що частоти Df на ви ході змішувача 5 за час циклу видосліджувана рідина має більші, ніж еталонна міру представлено на Фіг.5д й може описуватися співвідношеннями: значення як дійсної e' так і уявної e'' частин діелектричної проникності: ' e 'r ³ e '0 ; e 'r' ³ e '0 , (3) ' де ìe 'r ' e'r' ü; ìe'0; e '0 ü - дійсна й уявна частини діí ýí ý î þî þ електричної проникності досліджуваної й еталонної рідин відповідно. Відомо [див. наприклад Потапов А.А. Температурно-диэлектрическая спектроскопия растворов, ПТЭ, №5, с.170-177], що зміна дійсної частини діелектричної проникності речовини, що заповнює резонатор, приводить до зміни його власної частоти - df, а уявної частини - De'' - його добротності Q : 2(f - f0 ) De' = e 'r - e '0 = - r = - 2df /(f 0 h ); f 0h e' e 'r' = r Q2 , (4) де (fr,f0) - власні частоти, a (Q2 ,Q 1) - добротності при заповненні капіляра вимірювального резонатора 3 досліджуваною й еталонною рідинами, а df - різниця частот, h - коефіцієнт заповнення резонатора досліджуваним середовищем. Таким чином, заповнення капіляра у вимірювальному резонаторі 3 досліджуваною рідиною в якої e' й e'' більше, ніж в еталонної приведе, як це видно зі співвідношень (4), до зниження власної резонанс D f1 = f1 - f1 = fD + d f + D 0 - D1 - під час з 0 до t1 ; 01 1 2 1 1 1 D f12 = f1 - f2 = fD + df - D 0 - D 1 - під час із t1 по t2; (5) 1 1 D f1 = f1 - f2 = fD + df + D 0 + D1 - під час із t2 по t3 ; 23 1 1 1 D f34 = f1 - f2 = fD + df - D 0 + D1 - під час із t3 по t 4; 1 1 де f1 , f2 - частоти опорного 2 і вимірювального 4 генераторів на інтервалі 0-t4 у режимі вимірів, причому необхідно відзначити, що для опорного генератора 2 частоти в режимі калібрування й ви1 0 мірів однакові, тобто f1 = f1 ; f1 =f0 + df середнє за період вимірів (0...t4) 2 значення частоти вимірювального генератора 4 при заповненні вимірювального резонатора 3 капіляром з досліджуваною рідиною; f 1 =f 0 + f D = f 0 середнє за період вимірів 1 1 (0...t4) значення частоти опорного генератора 2 при заповненні еталонного резонатора 1 капіляром з еталонним середовищем; 1 D fij - значення різницевої частоти між частотами опорного 2 і вимірювального 4 генераторів на інтервалі часу tij в режимі вимірів. fD - проміжна частота; 13 82516 14 припустиме відхилення середнього значення часD0 девіація частоти опорного генератора 2 при знаходженні в еталонному резонаторі капіляра з f 1 = f + df еталонним середовищем тоти 1 D вимірювального генератора 4 від D1 девіація частоти вимірювального 4 генера1 0 середнього значення частоти f0 = f0 = fD опорного тора при знаходженні у вимірювальному резонаторі 3 капіляра з досліджуваним середовищем. генератора 2 (проміжні частоти fD), обумовлене На підставі обмірюваних частотоміром 6 часвідмінністю досліджуваної рідини від еталонної. тот сигналу в різні інтервали часу (0...t4) з ви ходу Режим відносних вимірів може використатися, змішувача 5, дані про які передані в блок обробки наприклад, для безперервного контролю параметінформації 7, у ньому здійснюється обчислення рів рідкого палива в процесі його виробництва. середнього значення різницевої частоти за період 2. Абсолютні виміри. Вимірюються абсолютні значення D=D1-Δ0, df на підставі яких за даними, 1 і девіації частоти вимірювального 4 і вимірів Df що зберігаються в базі даних у блоці обробки інопорного 2 генераторів D1,D0: формацій 7 здійснюється обчислення функціонально пов'язаних з ними e',e'' або похідних від них величин - октанового числа неетильованого бенDf 1 = fD + df = æ Df1 + Df1 + D f1 + Df 1 ö / 4 ç 01 ÷ 12 23 34 ø è зину [див. Є.М. Бєлов, В.І. Луценко, В.О. Кабанов, С.І. Хоменко, В.В. Колодяжний, О.І. Яценко Метоæ D f1 - Df 1 + Df 1 - D f1 ö / 4 D0 = ç (6) ди оцінювання октанового числа неетильованих 01 12 23 34 ÷ è ø бензинів // Нафтова й газова промисловість, Київ æ 1 1 1 1 ö 2000, №6, с.61-64] або концентрації бінарних розD1 = ç - æ D f + D f ö + æ D f + Df ö ÷ / 4 ç 01 ÷ ç 23 ÷ 12 ø è 34 ø ø è è чинів [див. A.Ya. Kirichenko, V.I. Lutsenko, Yu,F. Filipov, E.V. Odnovolik, E.V. Krivenko, A.N. Roenko Порівняння з раніше отриманим при калібруThe resonant method for water solution complex ванні середнім значенням різницевої частоти за permetivity measurement // The Firfth Symposium of Phisics and Engineering of Microwaves Millimeter and 0 (див. співвідношення 2 ) період калібрування D f SubmillimeterWaves (MSMW'04), Symposium дозволяє в блоці обробки 7 одержати оцінку зсуву Proceeding Kharkov, Ukraine, June 21-26, 2004, середнього значення різницевої частоти df, обумо2004, v.1, p.214-216]. Даний режим використовувлене, як видно з (4) зміною дійсної частини діелеється для визначення діелектричних характерисктричної проникності досліджуваної рідини в порі' внянні з еталонною. Отримані в ході вимірів і тик досліджуваних речовин e 'r , e r' на підставі відообчислень дані про (df, D 1,D 0) у блоці обробки інмих значень e',e'' для еталонної речовини. формації 7 рівняються з еталонними, що зберігаІнформація про параметри вимірюваного зразються в базі даних блоку обробки інформації 7. ка через відповідний вихід (другий) блоку обробки Результат порівняння з виходу блоку обробки інінформації 7 може надходити на вхід зовнішньої формації 7 виводиться на індикатор 8 у вигляді ЕОМ збору, зберігання інформації й керування значень дійсної й уявної частин діелектричної прорежимом технологічного виробництва, наприклад, никності досліджуваної рідини. Оскільки від цих рідких палив, спирто-водяних розчинів та ін. характеристик (e',e'') залежить октанове число неПідвищення точності результатів виміру в даетильованих бензинів, а також концентрація водно ному пристрої досягається в такий спосіб: - спиртових розчинів, то при необхідності на інди1. Різницева частота між вимірювальним 4 і катор можуть виводитися дані про цетанове число опорним 2 генераторами, визначає інформаційні рідких палив (якщо метою вимірів є їхні характерипараметри вимірюваного середовища (діелектристики), або концентрація, якщо об'єктом вимірів є чні характеристики й функціонально пов'язані з бінарні водяні розчини спирту. ними параметри) у той час як у прототипу вона Запропонований пристрій допускає два основпросто є проміжною частотою, а інформаційні паних режими виміру параметрів рідких діелектриків: раметри визначаються шляхом настроювання ви1.Відносні виміри, коли виміряються відхиленмірювального генератора на власні частоти виміня від параметрів еталонного діелектрика, наприрювального й опорного резонаторів послідовно, клад рідкого палива, уведеного в еталонний резощо вимагає більшого часу й приводить до появи натор 1. Даний режим використовується для додаткових помилок у вимірі з-за частотної нестабезперервного контролю параметрів рідкого палибільності вимірювального генератора. ва в процесі його виробництва, або розливу. У 2. Частоти вимірювального 4 і опорного 2 гецьому випадку немає необхідності в знанні знанераторів визначаються живлячими напругами й чень цетанових чисел. Досить контролювати знавласними частотами й добротностями відповідних ходження в межах допусків вимірюваних значень: резонаторів (вимірювального 3 і еталонного 1 резонаторів), у той час як у пристрої-прототипі час|D1-D 0|£a D; тота вимірювального генератора залежить від то(7) |df£a df|, чності настроювання на власні резонансні частоти еталонного й вимірювального резонаторів, що де a D - припустиме відхилення девіації частоти залежить від методу настроювання (метод пошуку максимуму) і добротності резонаторів. При однаD1 вимірювального генератора 4 від девіації частоковій стабільності напруг, які живлять генератори, ти D0 опорного генератора 2, обумовлене відмінніочевидно, що пропонований пристрій має більш стю e'' досліджуваної рідини від еталонної; Ddf високі стабільності частот генераторів, чим прото 15 82516 16 тип, а значить і менші помилки визначення інфортоти вимірювального й еталонного резонаторів 3, маційних характеристик. 1; - відсутня необхідність в амплітудних вимірах і 3. Вимір e'' і пов'язаних з нею величин здійспов'язаних з ними каліброваним амплітудним денюється за вимірами девіації частот вимірювальтектором із системою його температурної стабіліного й опорного генераторів 4, 2, пов'язаних з добзації, АЦП; ротностями вимірювального й еталонного - спрощується конструкція резонаторів: замість резонаторів 3, 1, а не амплітуд сигналів на виходах опорного й вимірювального резонаторів за двох входів, як у прототипі - один вхід, оскільки резонатори працюють на відбиття, а не на прохід. допомогою амплітудного детектора, як це здійсПристрій, що заявлено, на відміну від відомих нювалося в прототипі. При частотних вимірах задотепер резонаторних пристроїв виміру діелектбезпечується одержання більше високих точносричної проникності речовин дозволяє забезпечити тей виміру, чим при амплітудних вимірах, тому що немає необхідності в калібруванні й температурній менші помилки виміру діелектричних характеристик вимірюваних середовищ за рахунок одночасстабілізації амплітудної характеристики вимірюваного виміру інформаційних параметрів на основі льного амплітудного детектора, як у прототипі. різницевої частоти між еталонним і вимірюваль4. Величина зв'язку між відповідним генератоним генераторами, більше простою конструкцією, ром і резонатором при вимірі різниці їхніх частот впливає в меншому ступені на точність вимірів, оскільки частоти генерації вимірювального й опорного генераторів, що залежать від власних частот чим при амплітудних вимірах, де від її величини відповідних резонаторів, і їх добротностей утвобезпосередньо залежить амплітуда сигналу, що ряться шляхом синхронізації частоти відповідного пройшов через резонатор. генератора, а не шляхом автопідстроювання часДля пропонованого пристрою в порівнянні із прототипом спрощується конструкція й алгоритм тоти відповідною системою під власну частоту резонатора. функціонування: - відсутня необхідність в організації режиму пошуку й настроювання на власні резонансні час 17 82516 18 19 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко 82516 Підписне 20 Тираж 26прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601