Автогенераторний вимірювач електрофізичних параметрів матеріалів

Автогрнераторний вимірювач електрофізичним параметрів матеріалів шо містить у собі ємнісний або індуктивний робочий давач з матеріалом, що досліджується автоматичний перемикач, два автогенератори балансний змішувач входами з'єднаний з виходами автогенераторів виходом з єднаний з послідовно включеними фільтром нижніх частот формувачем коротких імпульсів реверсивним лічильником імпульсів та цифровим відліковим пристроєм генератор тактових імпульсів і блок керування вхід якого з'єднаний з виходом генератора тактових імпульсів виходи з'єднані з кє руючими входами автоматичного перемикача, ре версивного лічильника імпульсів та цифрового відпікового пристрою відповідно який відрізняється тим, що додатково введемі зразковий давач штан га положення давачів, занурювальний корпус жорстко закріплений на штани положення давачіо діелектричну підкладку яка розмішена э эануркэвальному корпусі і поділяє його на проточну камеру робочого давача для заповнення досліджу ваним матеріалом і гермртизойану компенсаційну камеру зразкового давача для заповнення еталонним матеріалом двожильний коаксіальний кабель з заземленим екранним обплетенням який прок падений через штангу положення давачів другий автоматичний перемикач, при цьому робочий давач з досліджуваним матеріалом і зразковий давач з еталонним матеріалом розміщені на одній діелектричній підкладці на протилежних сторонах в проточній і герметизованій компенс аційній ка мерах ВІДПОВІДНО і виконані кожний у вигляді конденсаторів з високопотєнційними і ничькопотенційними планарними електродами або одношарових котушок з високопотєнційними і низькопотенціини ми кінцями протилежні входи першого та другого автоматичних перемикачів з'єднані між собою і через двожильний коаксіальний кабепь з'єднані з аи сокогютенційними електродами ємнісних дав. л чи або високопотєнційними кінцями котушок, низькопотенційні електроди або низькопотенційні КІНЦІ котушок яких з'єднані між собою і підключені до екранного обплетення двожильного коаксіального кабеля вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом першого автогенератора вихід другого чвтоматичного перемикача з єднаний з керуючим яходом другого автогенератора а керуючий вхід другого автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом першого автоматичного перемикача 00 О) ю со Винахід відноситься до засобів аналізу властивостей речовин та матеріалів по їх електро фізичним параметрам (діелектричній магнітній проникливості питомому електроопору) і може бу ти використаний для контролю складу та якості різноманітних речоаин та матеріалів переважно рідких та газоподібних у технологічному ПОТОЦІ Для вимірювання електрофізичних пзрамет рів матеріалів використовують двоканальні автогенераторж схеми порівняння (див Арш Э И Автогпнераторные методы и средства измерений М Машиностроение, 1979, с 71-73), що містять у собі ємнісний індуктивний або реэистивний давач з матеріалом, що досліджується вимірювальний та опорний автогенератори схему порівняння частот, входи якої з'єднані з виходами автогенераторів, блоки виділений та підсилення коливань різницевої частоти та відліково-реєструючий пристрій Частота вимірювального автогенератора задається індуктивним або ємнісним дэвэчем включеним в його керуючий контур, а частота опорного автогенератора • варіометром або конденсатором змінної ємності, параметри яких відповідають індуктивності або ємності пустого давача Різницева частота що вимірюється, пропорційна магнітній або діелектричній проникливості матеріалу або речовини, що досліджується Але нестабільність початкових часгот двох незалежних автогенераторів із-за температурних 34598 та часових змін їх параметрів викликає великий др^йф нуля на виході схеми порівняння "частот Це не дозволяє достовірно вимірювати малі чначення різницевої частоти а отже, і малі зміни магнітної або діелектричної проникливості рідких або газоподібних матеріалів Відомий зетогенераторний вимірювач електрофізичних параметра матеріалів (див Ройтман М С , Жуков В В Измерение малых приращений, ємностей и индукіивностей методом периодического сравнения, - "Измерительная техника", 1967 №12 с 17-19) що містить у собі давач з матеріалом, що досліджується зразковий елемент (конденгатор або котушку індуктивності), автоматичний перемикач, автогенератор і послідовно з'єднані частотний детектор, комутаційний генератор, фільтр нижніх частот підсилювач частоти комутації, фазочуттгвий випрямлювач та вольтметр Автогенераторний вимірювач виконаний по одноканальній схемі Давач t реактивний зразковий елемент (конденсатор або котушка індуктивності) почергово підключаються до керуючого входу автогенератора автоматичним перемикачем а керуючі входи автоматичного перемикача і фазочуттєвого випрямлювана підключені до виходу комутаційного генератора Якщо ємність зразкового конденсатора або (ндуктивність зразкової котушки не дорівнюють ємності або індуктивності пустого давача, то вихідна напруга автогенератора виявляється модульованою по частоті з періодом прямокутної напруги комутаційного генератора Змінна складова вихідної напруги частотного детектора виділяється фільтром, підсилюється підсилювачем змінної напруги і вимірюється вольтметром Покази вольтметра пропорційні діелектричній або магнітній проникливості матеріалу що знаходиться в давачу Нестабільність частоти автогенератора при періодичному порівнянні не викликає дрейф нуля схеми порівняння при рівності ємностей або індуктивностей пустого давача і зразкового конденсатора або котушки а значить, адитивна похибка відсутня Проте нелінійність характеристики частотного детектора та нерівномірність його частотної характеристики обумовлюють велику мультиплікативну похибку у вимірюванні діелектричної або магнітної проникливості матеріалу, що досліджується Відомий також автогенераторний вимірювач електрофізичних параметрів матеріалів (див , Скрипник Ю А Коммутационные цифровые измерительные приборы М , Энергия, 1973 с 23-25), що містить у собі ємнісний або індуктивний робочий давач з матеріалом, що досліджується, автоматичний перемикач два автогенератори балансний змішувач, входами з'єднаний з виходами автогенераторов виходом з'єднаний з послідовно включеними фільтром нижніх частот, формувачем коротких імпульсів реверсивним лічильником імпульсів та цифровим відліковим пристроєм, генератор тактових імпульсів і блок керування вхід якого з'єднаний з виходом генератора тактових імпульсів, виходи з'єднані з керуючими входами автоматичного перемикача реверсивного лічильника імпульсів та цифрового відпікового пристрою ВІДПОВІДНО Крім того, автогенераторний вимірювач містить зразковий елемент (конденсатор або котушка індуктивності), при цьому робочий давач з досліджуваним матеріалом і зразковий елемент (конденсатор або котушка індуктивності) підключені до входів автоматичного перемикача а вихід автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом першого автогенератора В ланцюг керування частотою друюго автогенератора включений конденсатор або котушка індуктивності, які забезпечують генерування коливань, близьких до частоти коливань першого автогенератора при пустому давачу Цей автогенераторний вимірювач виконаний також по одноканальній схемі Наявність в одноканальній схемі порівняння другого автогенератора понижує вимоги до швидкодії та рочрядності реверсивного лічильника імпульсів, що підвищує чуттєвість автогенераторногр вимірювача до малих змін діелектричної або магнітної проникливості досліджуємого матеріалу, що знаходиться в робочому давачу У відомому автогенераторному вимірювачі вплив температури та умов експлуатації суттєво позначається на результаті контролю Так із-за непостійності температури матеріалу, що досліджується, або довжини з'єднувальних дротів давача порушується рівність, наприклад, ємності пустого давача та ємності зразкового конденсатора Флюктуаційна нестабільність напруг живлення із-за різночасовості порівняння ємності або індуктивності давача з ємністю або індуктивністю зразкового конденсатора або котушки, що обумовлює різну КІЛЬКІСТЬ імпульсів в сусідні такти комутації і викликає адитивну похибку Індустрійні завади а основному діють на давач і з'єднувальні дроти, так як зразковий елемент (конденсатор або котушку індуктивності) розташовують безпосередньо в корпусі автоматичного вимірювача на вході автоматичного перемикача Періодичне перемикання ємностей або індуктивностей що порівнюються, викликає появу комутаційних розривів в ланцюгу першого автогенератора що обумовлює імпульсні похибки в роботі реверсивного лічильника імпульсів Вказані впливаючі фактори зменшують точність вимірювання діелектричної або магнітної проникливості матеріалу, що досліджується В основу винаходу покладена задача створення такого автоматичного вимірювача електрофізичних параметрів матеріалів в якому введення нових елементів та зв"язків дозволило б виключити вплив змін температури матеріалу що досліджується довжини та розташування з'єднувальних дротів давача, нестабільності напруг живлення та параметрів автогенераторт на результат порівняння досліджуваного та еталонного матеріалів, тим самим підвищити точність виміру Поставлена задача вирішується тим, що в автогенераторний вимірювач електрофізичних параметрів матеріалів що містить у собі ємнісний або індуктивний робочий давач з матеріалом, що досліджується, автоматичний перемикач, два автогенерзтори, балансний змішувач, входами з'єднаний з виходами автогенераторів, виходом з'єднаний з послідовно включеними фільтром нижніх частот формувачем коротких імпульсів, реверсивним лічильником імпульсів та цифровим ВІДЛІКОВИМ пристроєм генератор тактових імпульсів і блок керування, вхід якого з'єднаний з виходом генератора тактових імпульсів, виходи з'єднані з ке 3459В руючими входами автоматичного перемикача, реверсивного лічильника імпульсіп та цифрового відлікового пристрою відповідчо. згідно винаходу, введені зразковий давач, штанга положення давачів, занурювзпьний корпус, жорстко закріплений на штанзі положення давачів, діелектричну підкладку, яка розміщена в ээнурювальному корпусі і поділ я*, його на проточну камеру робочого давача для заповнення досліджуваним матеріалом І герметизовану компенсаційну камеру зразкового давачз для заповнення еталонним матеріалом, двожильний коаксіальний кабель з заземленим екранним обплетенням, який прокладений через штангу положення давпчів, другий автоматичний перемикач, при цьому робочий давач з досліджуваним матеріалом І зразковий давач з еталонним матеріалом розміщені на одш;і діелектричній підкладці на протилежних сторонах в проточній і герметизованій компенсаційній камерах відповідно, І виконані кожний у вигляді конденсаторів з високопотенційними і низькопотенційними ппанарчими електродами або одношарових котушок з високопотениійними і низькопстенційними кінцями, протилежні входи першого та другого автоматичних перемикачів з'єднані між собою і через двожильний коаксіальний кабель з'єднані з високопотенційними електродами ємнісних давачів або високопотенційними кінцями котушок, низькопотенційні електроди або низькопотенційні кінці котушок яких з'єднані між собою і підключені до екранного обплетення двожильного коаксіального кабеля, вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом першого автогенератора, вихід другого автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом другого автогенератора, а керуючий вхід другого автоматичного перемикача з'єднаний з керуючим входом першого автоматичного перемикача Введення зразкового давача (ємнісного або Індуктивного), виконаного на одній діелектричній підкладці з робочим давачем (також ємнісним або індуктивним), яка розділяє проточну з досліджуваним матеріалом і компенсаційну з еталонним матеріалом камери занурювапьного корпусу, другого автоматичного перемикача, який разом з першим почергово та синхронно підключає високопотенційні електроди або кінці котушок давачів через двожильний коаксіальний кабель, що проходить через штангу положення давачів до керуючих входів двох автогенераторів забезпечили виключення впливу температури матеріалу, що досліджується, глибини занурення і розташування давачів, фпюктуаційних та комутаційних завад на точність вимірювання інформативних змін діелектричної або магнітної проникливості матеріалу, що доспіджується На фіг. 1 зображена структурна схема звтогенераторного вимірювача електрофізичних параметрів матеріалів з ємнісними давачами діелектричної проникливості матеріалів На фіг. 2 - індуктивні давачі магнітної' проникливості матеріалів Вимірювач (фіг 1) містить у собі занурювальний корпус 1, діелектричну підкладку 2, високопотенційні електроди робочого та зразкового давачів 3, низьнопотєнційиі електроди робочого та зразкового давачів 4, герметизовану компенсацій ну камеру зразкового давача 5. пробку 6, проточну камеру робочого давача 7, штангу положення давачів 8, двожильний коаксіальний кабель Я, автоматичні перемикачі 10 і 11, автогенератори 12 і 13, балансний змішувач 14, фільтр нижніх частот 15, формувач коротких імпульсів 16, реверсивний лічильник імпульсів 17, цифровий РІДЛІКОВИЙ пристрій 18, генератор тактових Імпульсів 19, блок керування 20 Позицією 21 позначено резервуар з досліджуваним матеріалом В корпусі 1 розміщена підкладка із діелектричного матеріалу 2 з двома протилежно розташованими високопотенційними електродами 3 та двома низькопотенційними електродами 4. яка розділяє внутрішню частину корпусу на герметизовану компенсаційну камеру 5 з пробкою 6 І проточну камеру 7 с отворами Через штангу положення давачів 8 проходить двожильний коаксіальний кабель 9, жипи якого на вході з'єднані відповідно з високопотенційними електродами проточної та компенсаційної камер, а заземлене екранне обплетення з'єднане з низькопотенційиими електродами проточної та компенсаційної камер Протилежні входи автоматичних перемикачів 10 і 11 з'єднані між собою і підключені до жил на виході коаксіального кабеля. Виходи автоматичних перемикачів з'єднані з керуючими входами LC або RC автогенераторів 12 і 13, виходи яких з'єднані зі входами балансного змішувача 14, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот 15, формувач коротких імпульсів 16, реверсивний лічильник імпульсів 17 та цифровий відліковий пристрій 18 Генератор тактових імпульсів 19 підключений до входу блоку керування 20, перший вихід якого з'єднаний з керуючими входами автоматичних перемикачів, другим - з керуючим входом реверсивного лічильника Імпупьсів, а третій з'єднаний з керуючим входом цифрового відлікового пристрою Індуктивні давачі (фіг 2) виконані на одній діелектричній підложці 22 у вигляді двох плоских котушок 23 і 24, розташованих на протилежних сторонах підкпадки Високопотенційні кінці котушок 25 і 26 підключені до жил коаксіального кабеля 27, а низькопотенційні зажими 28 і 29 з'єднані між собою і підключені до заземленого екранного обплетення коаксіального кабеля 27 Конструктивно індуктивні давачі розташовані а проточній І компенсаційній камерах панурювального корпусу Автогенераторний вимірювач електрофізичних параметрів матеріалів працює таким чином Корпус 1 за допомогою штанги положення давачів 8 занурюється на задану глибину в резервуар 21 з матеріалом, що досліджується. Розташовані на діелектричній підкладці 2 високопотечційні електроди 3 і низькопотенційні електроди 4 утворюють два однакових ємнісних давача в компенсаційній камері 5 і проточній камері 7 відповідно. За допомогою автоматичних перемикачів 10 і 11 ємнісні давачі почергово підключаються до керуючих входів автогенераторів 12 І 13 При зміні положення перемикачів ємнісні давачі камер 5 і 7 заміщаються один одним. Керування схемою вимірювача здійснюється від блоку 20, на який поступають тактові імпульси від генератора 19 3 приходом першого тактового імпульсу автоматичний перемикач 10 через одну із 34598 жип коаксіального кабеля 9 підключає до автогенератора 12 смнісиий давач проточної камери 7. В цей же час автоматичний перемикач 11 через другу жилу коаксіального кабеля 9 підключає ємнісний дав?11 компенсаційної камери 5 до автогенератора ІЗ Якщо діелектричні проникливості дослщжуємого матеріалу F* І еталонного матеріалу г о однакові г, - с„ , то і відповідні ємності давачів однакові Частота генерації fi автогенератора 12 настроюється дещо більшою за частоту генерації f2 автогенератора 13 [h = ( 0 9.. 0.95 )ft] В результаті цього на виході балансного змішувача 14, в якому здійснюється перемноження сигналів автогенераторів, утворюються коливання сумарної (fi + f?) і різницевої' (fi - h) частот. Фільтром нижніх частот 15 виділяються коливання різницевої частоти fi - f2. із яких за допомогою формувача імпульсів 16 утворюються короткі імпульси по момрнтам переходу кривої напруги різницевої частоти через нуль Імпульси поступають на вхід реверсивного лічильника 17, що працює в режимі додавання Імпульсів, де накопичуються за час до приходу другого тактового імпульсу. З приходом другого тактового імпульсу автоматичні перемикачі 10 І 11 установлюються в протилежне положення При цьому до автогенератора 12 підключається ємнісний зразковий давач компенсаційно/ камери 5, а до автогенератора 13 - смнісний робочий давач проточної камери 7 При рівності ємностей давачів частоти генерації ft і f? не змінюються, а значить, не змінюється і різницева частота fi- h Одночасно зі зміною положення автоматичних перемикачів від блоку керування 20 із другого виходу поступає сигнал на реверсування лічильника 17 і він починає працювати в режимі віднімання постулаючих імпульсів. До моменту приходу третього тактового імпульсу лічильник 17 повністю обнуляється. З приходом третього тактового імпульсу здійснюється запис коду залишку імпульсів лічильника в регістр цифрового відлікового пристрою 18 по дії сигналу з третього виходу блока керування 20. Одночасно з цим здійснюється повернення автоматичних перемикачів 10і 11 в початкове положення. В цифровому відліковому пристрої 18 індицирується нуль, який зберігається на протязі двох послідуючих тактових імпульсів, після чого здійснюється перезапис результату нового відліку імпульсів Зміни температури матеріалу, що досліджується, в резервуарі 21 викликають аналогічні зміни температури еталонного матеріалу в компенсаційній камері 5 Тому зберігається стабільний нуль у відліковому пристрої' 18 при періодичній зміні положень автоматичних перемикачів 10 І 11. Розташування електродів 3 і 4 на одній діелектричній підкладці 2 також виключає вплив змін її діелектричних властивостей від температури і процесів старіння матеріалів пщложки. Зміна довжини кабеля 9 також не впливає на нульовий показ вимірювача, тому що в однаковій мірі змінюються сумарні ємності давачів і жил коаксіального кабеля. При відмінності діелектрично') проникливості досліджуваного матеріалу в проточній камері 7 від діелектричної проникливості еталонного матеріалу в компенсаційній камері 5 рівність ємностей да вачіа порушується є, * FO ЯКЩО ДО автогенератора 12 підключається давач з матеріалом, що досліджується, в якому зменшилась діелектрична проникливість є» ~Е0 - Ас», то здійснюється збільшення частоти генерації f, = fi + Af При цьому частота генерації h автогенератора з давачем еталонного матеріалу залишається такою ж f2 = Ь Різницева частота на виході змішувача 14 збільшується d - h = fi - f;+ Д( В реверсивному лічильнику Імпульсів 17, що працює в режимі додавання, накопичується число імпульсів пі = (fi - fa + Af ) ДІ, де At - період слідування тактових імпульсів генератора 19. При протилежному положенні перемикачів 10 і 11 збільшення частоти генерації здійснюється в автогенераторі 13 V = fa + f, а частота генерації автогенератора 12 залишається без змін fi" = ft Різницева частота на виході змішувача 14 при цьому зменшується fi 1 - \'2 = fi - h • Af В лічильнику імпульсів 17, який періодично реверсується, віднімається число імпульсів пз = 0і - \? - Af) At. Код залишку імпупьсів N = Пі - п 2 = 2 Af At та його знак Індицируються в цифровому відліковому пристрої' 18 Код залишку імпульсів при цьому пропорційний відхиленню діелектричної проникливості Дє* матеріалу, що досліджується, відносно еталонного матеріалу N=kAe*, де к- коефіцієнт пропорційності, що визначається при калібровці. В випадку збільшення діелектричної проникливості матеріалу, що досліджується, єх = Єо +ДЕ* ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ аналогічна реєстрація залишку імпульсів, але з протилежним знаком Таким чином, по значенню і знаку кода на цифровому відліковому пристрої можливо визначати ступінь зміни діелектричної' проникливості матеріалу, що досліджується, відносно еталонного. Запропонована конструкція занурювального корпусу з давачами дозволяє контролювати зміни діелектричної проникливості також сипучих та газоподібних матеріалів. В безкорпусному варіанті пари давачів на одній підкладці можна використовувати і для контролю твердих матеріалів (стрічкових та рулонних). Так, розглянутий автогенераторний вимірювач з ємнісним давачем дозволяє знаходити і вимірювати малі зміни в діелектричній проникливості нафтових масел в межах від 2 1 до 2 4 одиниць, що дозволяє ідентифікувати масло по призначенню (трансформаторне, конденсаторне, кабельне і т п ) та визначати його марку (МН-2, С-220, П-28 і т п.) Похибка вимірювання при цьому не перевищує ±0.05 одиниці проникливості Якщо на підложку 22 (фіг.2) нанесені плоскі котушки індуктивності, то за допомогою розглянутого автогенераторного вимірювача можливо контролювати малі зміни магнітної проникливості рідких матеріалів, наприклад, вміст гемоглобіну в консервованій крові людини і тварин або концентрацію парамагнітних газів, наприклад, кисню в газових середовищах. Включення в час задаючий ланцюг RC-reнераторів резнстивних давачів дозволяє отримувати частотну Інформацію про склад електропровідних середовищ і напівпровідникових матеріалів. 34598 Фіг. 2 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000 м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03