Пристрій для вимірювання частотної залежності діелектричної проникності

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости веществ и материалов в широком частотном диапазоне. Известно устройства для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, содержащее низкочастотный генератор фиксированной частоты, высокочастотный генератор регулируемой частоты, аттенюатор, автоматический переключатель, последовательно соединенные емкостной датчик и образцовый конденсатор, множительный блок, первые последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель частоты коммутации и синхронный детектор, вторые последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель частоты коммутации и синхронный детектор, делитель частоты, входом соединенный с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты, выходом соединенный с управляющими входами синхронный детектор и управляющим входом автоматического переключателя, один вход которого соединен с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты непосредственно, другой вход соединен с выходом высокочастотного генератора регулируемой частоты через аттенюатор, выход автоматического переключателя соединен с одним входом множительного блока и входом емкостного датчика, выход последнего соединен со вторим входом множительного блока, выходом соединенного с входом первого фильтра нижних частот. Кроме того, устройство содержит второй автоматический переключатель, вход которого подключен к выходу первого автоматического переключателя, а два выхода - к входу амплитудного детектора, один из которых подключается непосредственно, а второй - через делитель напряжения, выход амплитудного детектора соединен со входом второго фильтра нижних частот, к выходам первого и второго синхронных детекторов подключены индикаторы, а к выходу высокочастотного генератора регулируемой частоты подключен частотомер. В известном устройстве об измеряемой частотной зависимости диэлектрической проницаемости судят по измеренным значениям частоты высокочастотного генераторе и коэффициенту деления делителя напряжения. На каждой частоте испытательного напряжения изменением коэффициента деления делителя напряжения во входной цепи амплитудного детектора добиваются нулевого показания второго индикатора, а частотное изменение диэлектрической проницаемости определяют по формуле. Кроме того, предварительно изменяют амплитуду испытательного напряжения аттенюатором до достижения нулевого показания первого индикатора. Это вызывает большие затраты времени на измерение частотной зависимости диэлектрической проницаемости материалов и веществ, и исключает возможность осуществления автоматических измерений. Замена нелинейной зависимости между коэффициентом деления делителя напряжения и относительными частотными изменениями диэлектрической проницаемости, на линейную, приводит к большим методическим погрешностям, особенно при больших частотных изменениях, В известном устройстве эта погрешность неустранима. В основу изобретения поставлена задача создать устройство для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, в котором введение новых узлов позволило бы обеспечить автоматизацию процесса измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, благодаря чему повысилась бы его точность. Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости, содержащее низкочастотный генератор фиксированной частоты, высокочастотный генератор регулируемой частоты, аттенюатор, автоматический переключатель, последовательно соединенные емкостной датчик и образцовый конденсатор, множительный блок, первые последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель частоты коммутации и синхронный детектор, вторые последовательно соединенные фильтр нижних частот, усилитель частоты коммутации и синхронный детектор, делитель частоты, входом соединенный с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты, вы ходом соединенный с управляющими входами синхронный детектор и управляющим входом автоматического переключателя, один вход которого соединен с выходом низкочастотного генератора фиксированной частоты непосредственно, другой вход соединен с выходом высокочастотного генератора регулируемой частоты через аттенюатор, выход автоматического переключателя соединен с одним входом множительного блока и входом емкостного датчика, выход которого соединен со вторым входом множительного блока, выходом соединенного с входом первого фильтра нижних частот, согласно изобретению, снабжено электромеханическим блоком перестройки частоты высокочастотного генератора, вторым множительным блоком, широкополосным усилителем, дифференциальным усилителем, источником стабилизированного напряжения, регистрирующим вольтметром и двумя интеграторами, первый из которых выходом соединен с управляющим входом аттенюатора, входом подключен к выходу первого синхронного детектора, выход второго интегратора соединен с управляющим входом широкополосного усилителя, входом подключен к выходу дифференциального усилителя, один вход которого соединен с источником стабилизированного напряжения, другой вход - с вы ходом второго фильтра нижних частот, вход последнего через широкополосный усилитель соединен с выходом второго множительного блока, вводами соединенного с выходом автоматического переключателя, к выходу второго синхронного детектора подключен регистрирующий вольтметр, лентопротяжный механизм которого кинематически соединен с электромеханическим блоком перестройки частоты высокочастотного генератора. Введение электромеханического блока перестройки частоты высокочастотного генератора, второго множительного блока, широкополосного усилителя, дифференциального усилителя, источника стабилизированного напряжения, регистрирующего вольтметра и двух интеграторов и воздействие их на аттенюатор, первый и второй синхронные детекторы и второй фильтр нижних частот приводит к тому, что напряжение первого интегратора воздействует на управляющий вход аттенюатора, изменяя напряжение высокочастотного генератора регулируемой частоты пропорционально частотной дисперсии контролируемого материала. В результате этого, переменная составляющая на выходе второго фильтра нижних частот устанавливается также пропорциональной частотной дисперсии контролируемого материала, а его постоянная составляющая обрабатывается системой быстродействующей автоматической регулировки усиления для исключения влияния изменений амплитуды опорного и испытательного напряжений в процессе измерений. Переменная составляющая на выходе второго фильтра нижних частот выпрямляется и фиксируется на ленту регистрирующего вольтметра, лентопротяжный механизм которого поворачивает также ротор конденсатора в электромеханическом блоке перестройки частоты высокочастотного генератора. Это позволяет полностью автоматизировать процесс измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости и значительно повысить точность измерения. При этом сохранены преимущества прототипа в части исключения влияния диэлектрических потерь и сквозной проводимости в исследуемых материалах и веществах на результат измерения. На чертеже (фиг.) показана блок-схема устройства для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости. Устройство содержит низкочастотный генератор 1 фиксированной частоты, высокочастотный генератор 2 регулируемой частоты, аттенюатор 3, автоматический переключатель 4, емкостной датчик 5, образцовый конденсатор 6, первый множительный блок 7, второй множительный блок 8, широкополосный усилитель 9, первый фильтр 10 нижних частот, второй фильтр 11 нижних частот, первый усилитель 12 частоты коммутации, второй усилитель 13 частоты коммутации, первый синхронный детектор 14, второй синхронный детектор 15, первый интегратор 1 6, второй интегратор 17, дифференциальный усилитель 18, источник стабилизированного напряжения 19, регистрирующий вольтметр 20, электромеханический блок перестройки частоты 21 высокочастотного генератора и делитель 22 частоты. Низкочастотный генератор 1 фиксированной частоты соединен с первым входом автоматического переключателя 4 непосредственно, второй вход автоматического переключателя 4 соединен с выходом высокочастотного генератора 2 регулируемой частоты через аттенюатор 3, выход автоматического переключателя 4 соединен: с входом (высокопотенциальным электродом) емкостного датчика 5, с одним входом первого множительного блока 7 и с двумя входами второго множительного блока 8, другой вход первого множительного блока 7 соединен с выходом (низкопотенциальным электродом) емкостного датчика 5 и образцовым конденсатором 6, у которого заземлен второй электрод, выход первого множительного блока 7 соединен с первыми последовательно соединенными фильтром 10 нижних частот, усилителем 12 частоты коммутации и синхронным детектором 14, выход второго множительного блока 8 соединен, через широкополосный усилитель 9, со вторыми последовательно соединенными фильтром 11 нижних частот, усилителем 13 частоты коммутации и синхронным детектором 15, выход первого синхронного детектора 14 через первый интегратор 16 соединен с управляющим входом аттенюатора 3, выход второго интегратора 17 соединен с управляющим входом широкополосного усилителя 9, вход второго интегратора 17 подключен к выходу дифференциального усилителя 18, один вход которого соединен с источником стабилизированного напряжения 19, другой вход соединен с выходом второго фильтра 11 нижних частот, выход второго синхронного детектора 15 соединен с входом регистрирующего вольтметра 20, лентопротяжный механизм которого кинематически связан с электромеханическим блоком перестройки частоты 21 высокочастотного генератора 2, к выходу низкочастотного генератора 1 подключен делитель 22 частоты, выход которого соединен с управляющими входами автоматического переключателя 4, первого синхронного детектора 14 и второго синхронного детектора 15. Устройство для измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости работает следующим образом. Опорное напряжение низкочастотного генератора испытательное напряжение 1 и высокочастотного генератора 2 поступают на автоматический переключатель 4. При этом, опорное напряжение генератора 1 поступает непосредственно, а испытательное напряжение генератора 2 - через регулируемый аттенюатор 3. На выходе автоматического переключателя 4 формируются чередующиеся пакеты напряжений фиксированной частоты и регулируемой частоты сиг, которые поочередно воздействуют на последовательно включенные емкостной датчик 5 и образцовый конденсатор 6. Емкостной датчик 5 заполнен контролируемым веществом или материалом. Номинал образцового конденсатора 6 выбирают из условия превышения его емкости в 100 - 1000 раз над емкостью емкостного датчика 5. Частоту коммутации автоматического переключателя 4 выбирают в 50 100 раз меньше низкой фиксированной частоты которая соответствует минимальному значению высокой регулируемой частоты Пакеты падений опорного и испытательного напряжений на образцовом конденсаторе 6 воздействуют на один вход первого множительного блока 7, на другой вход которого поступают пакеты этих же напряжений непосредственно с выхода автоматического переключателя 4. В один полупериод коммутации под действием пакета опорного напряжения через образцовый конденсатор 6, проводимость которого много больше проводимости емкостного датчика 5, протекает низкочастотный ток, параметры которого определяются, в основном, активной и реактивной проводимостями емкостного датчика 5 множительного блока выделится напряжение: где - активная проводимость емкостного датчика 5, обусловленная сквозной проводимостью и диэлектрическими потерями, то есть мнимой составляющей комплексной диэлектрической проницаемости; - реактивная проводимость емкостного датчика 5, пропорциональная диэлектрической проницаемости контролируемого материала, то есть вещественной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости; потерь; угол диэлектрических - коэффициент, учитывающий непостоянство амплитуды опорного напряжения. В другой полупериод коммутации под действием испытательного напряжения через образцовый конденсатор 6 протекает высокочастотный ток: где и - активные и реактивные составляющие комплексной проводимости емкостного датчика 5 на частоте; - коэффициент передачи аттенюатора 3; - коэффициент, учитывающий изменения амплитуды испытательного напряжения при регулировке его частоты; - угол диэлектрических потерь. Падение напряжений на образцовом конденсаторе 6, создаваемые низкочастотным и высокочастотным токами, обратно пропорциональны реактивной проводимости образцового конденсатора на этой частоте. где - крутизна преобразования первого множительного блока 7. Реактивная проводимость емкостного датчика 5 зависит от частоты приложенного напряжения и значения диэлектрической проницаемости материала или вещества на этой частоте. Поэтому, реактивные проводимости емкостного датчика на низкой и высокой частотах различны и могут быть представлены в виде: где -диэлектрическая проницаемость контролируемого материала или вещества на низкой фиксированной частоте; - частотная дисперсия диэлектрической проницаемости контролируемого материала или вещества; коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров емкостного датчика 5. Образцовый конденсатор 6 выбирают таким, чтобы частотная дисперсия диэлектрической проницаемости его диэлектрика была малой в рабочем диапазоне частот. Для этого можно использовать конденсаторы, в которых в качестве диэлектрика используется слюда, диэлектрическая проницаемость которой до сверхвысоких частот мала. В этом случае ею можно пренебречь. Поэтому, реактивная проводимость образцового конденсатора 6 зависит только от частоты напряжения где диэлектрическая проницаемость диэлектрика образцового конденсатора 6; коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров образцового конденсатора 6. С учетом реактивных проводимостей емкостного датчика и образцового конденсатора, постоянные составляющие на выходе первого множительного блока 7 принимают значения: где и - реактивная проводимость образцового конденсатора на частотах и соответственно. Первый множительный блок 7 производит операцию перемножения входных напряжений. В результате перемножения, в каждый полупериод коммутации напряжений одинаковых частот, выделяются постоянные составляющие пакетов опорного и испытательного напряжений. При перемножении пакетов опорного напряжения частоты на выходе первого множительного блока выделится напряжение где - крутизна преобразования множительного блока 7; а при перемножении пакетов испытательного напряжения частоты, на выходе первого составляющая первого - относительная частотная дисперсия контролируемого материала или вещества . При неравенстве постоянных составляющи х и в выходном напряжении первого фильтра нижних частот 10, образуется переменная частоты коммутации пропорциональная полуразности напряжений (пропорциональная и Переменная составляющая напряжений усиливается первым усилителем 12 частоты коммутации и выпрямляется первым синхронным детектором 14. Выпрямленное напряжение заряжает первый интегратор 16, выходное напряжение которого воздействует на управляющий вход регулир уемого аттенюатора 3. В результате изменения коэффициента передачи аттенюатора 3, изменяется амплитуда испытательного напряжения частоты Направление изменения амплитуды импульсов и воздействует на один вход дифференциального усилителя 18, на другой вход которого воздействует постоянное опорное испытательного напряжения выбрано в сторону автоматического выравнивания постоянных составляющи х и вы ходного напряжения первого множительного блока 7. При этом, перед проведением измерений, регулятор аттенюатора 3 устанавливается в районе вносимого мм половинного ослабления, соответствующего равенству амплитуд напряжений опорного и испытательного генераторов. Под действием напряжений интегратора, ослабление, вносимое аттенюатором изменяется, и в установившемся режиме, если пренебречь етатизмом системы автоматического регулирования, достигается равенство напряжений следует Из равенства напряжений откуда, коэффициент передачи аттенюатора 3 Параллельно, пакеты испытательного напряжения с выхода управляемого аттенюатора 3 и пакеты опорного напряжения с выхода генератора 1, непосредственно воздействуют на входы второго множительного блока 8. В результате перемножения пакетов напряжений одинаковых частот, на его вы ходе поочередно образуются импульсы из постоянных составляющих напряжений Импульсы напряжений и проходят через широкополосный усилитель 9, который одинаково усиливает оба напряжения: где - коэффициент усиления широкополосного усилителя 9. В качестве широкополосного усилителя 9 может быть выбран широкополосный усилитель с системой быстродействующей автоматической регулировки усиления. Постоянная составляющая последовательности импульсов, выделенная вторым фильтром 11 нижних частот полусумме напряжений напряжение от источника стабилизированного напряжения 19. Разностное напряжение с выхода дифференциального усилителя 18 через второй интегратор 17 воздействует на управляющий вход широкополосного усилителя 9. Процесс автоматического регулирования коэффициента усиления длится до тех пор, пока постоянная составляющая последовательности импульсов и уравняются с опорным напряжением В результате установления равенства сравниваемых напряжений, имеем: Коэффициент усиления широкополосного усилителя 9 при этом принимает значение Переменная составляющая последовательности импульсов и на выходе второго фильтра 11 нижних частот пропорциональна полуразности напряжений импульсов усиливается вторым усилителем 13 частоты коммутации и выпрямляется вторым синхронным детектором 15. С учетом значения коэффициента усиления К4 переменная составляющая напряжения частоты коммутации принимает вид Подставив в полученное выражение значение коэффициента передачи k1 аттенюатора 3, окончательно получим: Для многих веществ и материалов, относительная частотная дисперсия в диапазоне частот от 5 - 10МГц не превышает (5 10)%. Поэтому вторым членом в знаменателе полученного выражения можно пренебречь. Тогда выходное напряжение будет равно где постоянный коэффициент пропорциональности. Выходное напряжение второго синхронного детектора 15 воздействует на вход регистрирующего вольтметра 20, лентопротяжный механизм которого кинематически соединен с электромеханическим блоком 21 перестройки частоты высокочастотного генератора 2. Двигатель лентопротяжного механизма регистрирующего вольтметра 20, одновременно с протяжкой диаграммной ленты регистратора, поворачивает ротор переменного конденсатора в электромеханическом блоке перестройки частоты 21 высокочастотного генератора, изменяя его частоту. В результате этого время регистрации становится пропорциональным частоте испытательного напряжения, а показания регистрирующего вольтметра 20 пропорциональны относительным частотным изменениям диэлектрической проницаемости. В результате, регистрируется частотная характеристика исследуемого диэлектрического материала или вещества. При этом, регистрируемое напряжение не зависит от активной проводимости емкостного датчика 5, временной и амплитудной нестабильности, геометрических размеров емкостного датчика 5 и образцового конденсатора 6, непостоянства амплитуд опорного и испытательного напряжений, чувствительности (крутизны преобразования) множительных блоков и т.п., что повышает точность измерений, Весь процесс измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости полностью автоматизирован. Автоматическое устройство использовано для регистрации частотных зависимостей диэлектрической проницаемости различных тканей из синтетических и натуральных волокон с целью контроля качества пропитки полимерными материалами. Для этого использованы испытательные напряжения от 10кГц до 10МГц при частоте опорного напряжения 10кГц и частоте коммутации примерно 78Гц, что соответствует коэффициенту деления n = 128 делителя частоты. Чувствительность к относительным изменениям диэлектрической проницаемости получена на уровне при погрешности измерения не более 0,5%. Для капроновых тканей относительная частотная дисперсия в указанном диапазоне частот, изменялась от нуля до 35%.