Пристрій для контролю об’ємної щільності діелектричних матеріалів

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля материалов с помощью высокочастотного электрического поля и может быть использовано для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, например, нетканых материалов из синтетических волокон после операций холстообразования, иглообразования, термоусадки и т.п. Известно устройство для контроля диэлектрических потерь веществ и материалов [1], содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, высокочастотный генератор, соединенный через балластный резистор с высокопотенциальным электродом, множительную схему, к выходу которой подключены соединенные последовательно фильтр низкой частоты, усилитель, управляемый выпрямитель и регистрирующий прибор, переключатель и мультивибратор, подключенный к управляющим входам переключателя и выпрямителя, а также фазорасщепитель, регулируемый усилитель высокой частоты, блок стабилизированных напряжений и интегросумматор, один вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты, второй вход и вход начальных условий - к блоку стабилизированных напряжений, а выход соединен с управляющим входом регулируемого усилителя, включенного между высокопотенциальным электродом и первым входом множительной схемы, второй вход которой через переключатель соединен с выходами фазорасщепителя, подключенного к выходу высокочастотного генератора. Шкала регистрирующего прибора проградуирована в значениях тангенса угла диэлектрических потерь контролируемого вещества или материала. При изменении объемной плотности контролируемого материала вследствие иглопрошивания, термоусадки и т.п. изменяются диэлектрические потери в поле датчика, что не обеспечивает высокой точности измерения объемной плотности. Кроме того нестабильность фазовращателя и малая крутизна преобразования апериодической фазочувствительной схемы увеличивают погрешности устройства. Наиболее близким по технической сущности является устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов [2], содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный, низкопотенциальный и эквипотенциальные дополнительные электроды, выполненные в виде компланарных концентрических колец, два высокочастотных управляемых генератора, выходы которых через два высокочастотных усилителя подключены ко входам сумматора, выход которого соединен со входом колебательного контура, выход соединен с высокопотенциальным электродом и через повторитель напряжения с эквипотенциальными дополнительными электродами, а также с одним входом множительной схемы, второй вход которой подключен к выходу сумматора, к выходу множительной схемы подключены последовательно соединенные фильтр низкой частоты, низкочастотный усилитель, управляемый выпрямитель, управляющий вход которого подключен к выходу мультивибратора, регистрирующий прибор, к выходу мультивибратора подключен триггер, прямой и инверсный выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей, одни зажимы которых подключены к источнику постоянного напряжения, а другие соответственно ко входам питания высокочастотных генератор, к выходу сумматора подключены также последовательно соединенные амплитудный детектор, второй фильтр низкой частоты, второй усилитель низкой частоты, второй управляемый выпрямитель, выход которого соединен с управляющим входом высокочастотного усилителя, а управляющий вход с вы ходом мультивибратора, вторичная обмотка автотрансформатора шунтирована подстроечным конденсатором. Недостатком этого устройства является также невысокая точность измерения объемной плотности изза неизбежной нестабильности двух независимых высокочастотных генераторов. Взаимная расстройка генераторов вызывает смещение рабочих точек на левой и правой ветвях резонансной кривой, что вызывает появление ложного сигнала о расстройке колебательного контура. В основу настоящего изобретения положена задача создать устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, в котором обеспечивается возбуждение колебательного контура одним генератором, благодаря чему повышается точность измерения. Поставленная задача решена тем, что в устройство для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, содержащее многоэлектродный датчик, высокочастотный генератор, сумматор, повторитель напряжения, колебательный контур в виде параллельного соединения автотрансформатора и подстроечного конденсатора, блок умножения, два управляемых ключа и последовательно соединенные амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, усилитель низкой частоты, управляемый выпрямитель и регистратор, причем датчик выполнен в виде диэлектрического основания, на котором расположены высокопотенциальный, низкопотенциальный и два эквипотенциальных электрода, выполненные в виде компланарных концентрических колец, при этом один из эквипотенциальных электродов расположен между низкопотенциальным и высокопотенциальным электродами, а внешний эквипотенциальный электрод через повторитель напряжения соединен с выходом сумматора, первым входом блока умножения, высокопотенциальным электродом и одним из выводов колебательного контура, второй вывод которого соединен с низкопотенциальным электродом согласно изобретению, введены избирательный усилитель, фильтр высокой частоты, второй фильтр низкой частоты, второй блок умножения, первый и второй делители частоты, соединенные последовательно, причем вход первого делителя частоты соединен с выходом генератора и с первым входом второго блока умножения, ко второму входу которого подключен выход первого делителя частоты, выход второго блока умножения соединен со входами фильтра высокой частоты и второго фильтра низкой частоты, вы ходы которых подключены ко входам сумматора и через ключи со вторым входом первого блока умножения, к выходу которого подключен избирательный усилитель, к выходу которого подключен амплитудный детектор, причем выходы второго делителя частоты соединены с управляющими входами ключей выпрямителя, а высокочастотный генератор выполнен кварцевым Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства для контроля объемной плотности диэлектрических материалов, Устройство содержит диэлектрическое основание 1 датчика, на котором расположены высокопотенциальный 2, низкопотенциальный 3, первый 4 и второй 4 эквипотенциальные электроды. Электроды выполнены в виде компланарных концентрических колец, при этом электрод 4 расположен между электродами 3 и 2, а электрод 4 является внешним. Электроды датчика касаются поверхности контролируемого материала 5. В устройство входят также кварцевый высокочастотный генератор 6, первый блок 7 умножения, первый 8 и второй 9 делитель частоты, первый фильтр низкой частоты (ФНЧ) 10, фильтр высокой частоты (ФВЧ) 11, сумматор 12, первый 13 и второй 14 управляемые ключи, автотрансформатор 15 с параллельно подключенным подстроечным конденсатором 16 образующие колебательный контур, повторитель напряжения (ПН) 17, второй блок умножения 18, избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20, второй ФНЧ 21, усилитель низкой частоты 22, управляемый выпрямитель 23 и регистратор 24. Электрод 4 через НП 17 соединен с выходом сумматора 12, первым входом блока 7, электродом 2 и одним из выводов колебательного контура, второй выход которого соединен с электродом 3. Выход генератора 6 соединен с первым входом блока 18 и со входом делителя частоты 8, выход которого подсоединен ко второму входу блока 18 и по входу второго делителя частоты 9. Выход блока 18 соединен со входом ФВЧ 11 и ФНЧ 21, выходы которых подключены по входам сумматора 2 и через ключи 13 и 14 со вторым входом блока 7, выход которого через последовательно соединенные избирательный усилитель 19, амплитудный детектор 20, ФНЧ 10, усилитель 22 и управляемый выпрямитель 23 с регистратором 24. Выходы второго делителя частоты 9 соединены с управляющими входами ключей 13 и 14 и выпрямителя 23. Устройство работает следующим образом. Диэлектрическое основание 1 датчика с высокопотенциальным 2 и низкопотенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в материал с контролируемой объемной плотностью. В такой системе емкость датчика пропорциональна диэлектрической проницаемости материала и зависит от его плотности , (1) где e 1 - относительная диэлектрическая проницаемость подложки датчика; e 2 - относительная диэлектрическая проницаемость контролируемого материала, при неизменном составе последнего, пропорциональная его объемной плотности: - коэффициент, отражающий различие в электрических свойствах контролируемого материала и окружающей среды; e 3 - относительная диэлектрическая проницаемость окружающей среды (воздуха); А, В - постоянные коэффициенты, определяемые площадью конденсатора датчика, шириной электродов и зазором между ними; h - толщина контролируемого материала. Электрическое поле датчика создается с помощью сигнала генератора 6 частотой , (2) где w 0 - резонансная частота резонансного контура. Сигнал U6 перемножается в блоке 18 с сигналом низкой частоты W , (3) который формируется делителем частоты 8 с коэффициентом деления n1. Значение низкой частоты W = w 1 / n1 выбирают приблизительно равным половине ширины резонансной кривой Dw на уровне, соответствующем точкам максимальной крутизны резонансной кривой колебательного контора, т.е. частота (4) В результате перемножения сигналов от генератора 6 и делителя 8 в блоке 18 формируется двухчастотный сигнал с подавленной резонансной частотой w 0 и боковыми частотами вида w 0 ± W , (5) где kп - масштабный коэффициент преобразования блока 18. Составляющая разностной частоты w p = w0 - W представляет собой сигнал нижней боковой частоты резонансной кривой, а составляющая суммарной частоты w c = w0 + W - сигнал верхней боковой частоты относительно резонансной. Из двухчастотного сигнала (5) выделяют раздельно фильтрами 10 и 21 сигналы разностной и суммарной частот: , (6) , (7) где k’p и k’c - коэффициенты фильтрации на частотах w p и w c . Сигналы разностной (6) и суммарной (7) частот суммируются в сумматоре 12 и возбуждают первичную обмотку автотрансформатора 15, ко вторичной обмотке которого подключены подстроечный конденсатор 16 и емкость электродной системы: измерительный электрод 2 - контролируемый электрод 3, на нижней (разностной) и верхней (суммарной) боковых частотах. Комплексный коэффициент передачи резонансного контура, образованного автотрансформатором 15, подстроечным конденсатором 16, электродами 2-3, при малых расстройках определяется выражением , (8) где w 0 = 1/ LC - резонансная частота контура; с - емкость, образуемая электродной системой 2-3 и подстроечным конденсатором 16, входя щим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала; L - индуктивность контура, определяемая автотрансформатором 15; Q = w 0L / r - добротность резонансного контура, с сопротивлением потерь r: - относительная расстройка контура; Dw - абсолютная расстройка контура. При этом модуль коэффициента передачи контура: , (9) а аргумент коэффициента передачи (10) Напряжение на резонансном контуре с уче том амплитуд и начальных фаз гармонических составляющих боковых частот определяется выражением: где kр и kс - коэффициенты передачи резонансного контура на частоте w p и w c соответственно; j p и j c - фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром на частотах w p и w c соответственно. Параметры резонансного контура подобраны таким образом, что для частоты w p рабочая точка располагается на левой ветви резонансной кривой ненагруженного датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ ( l = -0,83), а для частоты w c - на аналогичной точке правой ветви резонансной кривой (l = +0,83). Коэффициент передачи резонансного контура на частоте w p определяется его расстройкой на частоте , (12) на частоте w c соответственно: а фазовые сдвиги гармонических составляющих напряжения U15 по отношению к соответствующим составляющим на выходе сумматора 12 определяются выражениями: где l p (14) w0 = - относительная расстройка контура на частоте w p ; w 0 wp w - 0 - относительная расстройка контура на частоте w c . w0 wc Напряжение U15 поступает на первый вход блока 7, на второй вход которого поочередно воздействуют напряжения от фильтров 10 и 21 через ключи 13 и 14, которые периодически переключаются выходным напряжением делителя 9 частоты с коэффициентом деления n 2. При замкнутом ключе 13 и разомкнутом ключе 14 выходное напряжение множительной схемы 18 определяются произведением напряжений: lc = wc wp , (15) где k’’п - масштабный коэффициент преобразования множительной схемы 18. Составляющая резонансной частоты w c = wp = 2 W усиливается избирательным усилителем 19, настроенным на удвоенное значение выходной частоты делителя 8: . (16) При замкнутом ключе 14 и разомкнутом 13 выходное напряжение множительной схемы 18 определяется произведением: . Тогда выходное напряжение избирательного усилителя 19 имеет вид: . (8) При периодической работе ключей 13 и 14 с частотой Wк = W / n 2 выходное напряжение избирательного усилителя 19 состоит из пакетов напряжений частоты 2W , которое детектируется амплитудным детектором 20. Постоянные составляющие продетектированных напряжений выделяются фильтром 10 низкой частоты и поочередно с частотой переключения ключей 13 и 14 воздействуют на вход усилителя 22 низкой частоты с коэффициентом усиления Ку. Переменная составляющая напряжений (16) и (18) усиливается и с амплитудой: (19) выпрямляется управляемым с частотой коммутации W к выпрямителем 23 и фиксируется регистратором 24. При ненагруженном датчике коэффициенты переда резонансного контура на боковых частотах w р и w с равны (k=kc). Поэтому переменная составляющая напряжения U22=0. При контакте электродов 2-3 датчика с контролируемым материалом в зависимости от значения его объемной плотности происходит расстройка резонансного контура относительно частоты w : , (20) где D С - вносимая контролируемым материалом емкость, пропорциональная объемной плотности материала r . В случае контакта электродов датчика с контролируемым материалом, составляющая Аe 1 выражения (1) постоянна и тогда это выражение относительно приращения емкости D С от изменения объемной плотности контролируемого материала приобретает вид: . (21) Из выражения (21) следует, что при неизменной геометрии датчика, диэлектрических свойств окружающей среды ( e 3 ) и постоянной толщине контролируемого материала (h), приращение емкости пропорционально изменению объемной плотности r контролируемого материала. Эти приращения D С приводят к смещению рабочих точек на правой и левой ветвях резонансной кривой контура. Коэффициент передачи контура на частоте w р увеличивается до значения: (22) а коэффициент передачи контура на частоте w с уменьшится до значения: (23) где Q’’ - добротность контура с учетом дополнительных потерь возникающих в материале 5. При этом возникает неравенство амплитуд ( U'19 ¹ U' ' 19 ) пакетов напряжений на входе усилителя 22. Усилителем 22 усиливается переменная составляющая с частотой переключения ключей 13 и 14, пропорциональная разности амплитуд высокочастотных напряжений w p и w c на выходе резонансного контура. Усиленное напряжение поступает на управляемый выпрямитель 23 и фиксируется регистратором 24, шкала которого градуируется в единицах объемной плотности.