SU1532859A1 - Устройство дл контрол объемной плотности диэлектрических материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени  - повышение точности измерений. Устройство содержит емкостный накладочный датчик, включенный в колебательный контур, два высокочастотных генератора, ключи, схемы ИЛИ и умножени , фильтры низких частот, мультивибратор. Цель изобретени  достигаетс  за счет поочередного возбуждени  резонансного контура колебани ми двух симметричных относительно резонанса частот, что обеспечивает стабильный отсчет параметра от нулевого значени . 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано дл  контрол  объемной плотности диэлектрических материалов, например нетканых материалов из синтетических волокон, после операций холстообразовани , иглопробивани , термоусадки и т.п.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности регистрации/объемной плотности в процессе контрол  измерений .

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - зона распределени  электрического пол .

Устройство содержит диэлектрическое основание 1, на котором расположены высокопотенциальный 2, низкопотенциальный 3 и эквипотенциальные дополнительные 4 и 41 электроды датчика , выполненные в виде компланарных концентрических колец, касающихс  контролируемого материала 5, высокочастотные управл емые генераторы 6 и 7, выходы которых через управл емые высокочастотные усилители 8 и 9 подключены к входам схемы ИЛИ 10, выход которой соединен с автотрансформатором 11, образующим по вторичной обмотке с подстроечным конденсатором 12 и электродной системой 2-3 колебательный резонансный контур, выход которого соединен через повторитель 13 напр жени  с эквипотенциальными электродами 4 и 4 , а также с одним входом множительной схемы 14 второй вход подключен к выходу схемы ИЛИ. К выходу схемы 14 подключены последовательно соединенные фильтр 15 низкой частоты, низкочастотный усилитель 16, первый управл емый выпр митель 17, регистрирующий прибор 18, при этом управл ющий вход выпр мител  17 подключен к выходу мультивибратора 19. К выходу мультивибратора 19 подключен триггер Шмидта 20,

(Л

ел

со

1чЭ

оо

СЛ

со

пр мой и инверсный выходы которого соединены с управл ющими входами электронных ключей 21 и 22, входы которых подключены к источнику 23 посто нного напр жени , а выходы соответственно к входам питани  высокочастотных генераторов 6 и 7. К выходу схемы ИЛИ 10 подключены также последовательно соединенные амплитудный детектор 24, второй фильтр 25 низкой частоты, второй усилитель 26 низкой частоты, второй управл емый выпр митель 27, выход которого соединен с управл ющим входом высокочастотного усилител  9, а управл ющий вход с выходом мультивибратора 19, вторична  обмотка автотрансформатора 11 шунтирована подстроечным конденсатором 12

Устройство работает следующим образом .

Диэлектрическое основание 1 датчика с высокопотенциальным 2 и низкопотенциальным 3 электродами создает электрическое поле, проникающее в материал 5 с контррлируемой объемной плотностью. Емкость накладного датчика с периодической структурой электродов определ етс  диэлектрическими проницаемост ми подложки датчика, контролируемого материала и окружающей среды:

BV,

С(, + ), (О

где Ј1 - относительна  диэлектрическа  проницаемость подложки датчика;

Ј/ - относительна  диэлектрическа  проницаемость контролируемого материала при неизменном составе последнего, пропорциональна  объемной плотности р ;

о - объемна  плотность контролируемого диэлектрического материала;

- коэффициент, отражающий

г ез

различие в диэлектрических

свойствах контролируемого материала и окружающей среды;

Я3- относительна  диэлектрическа  проницаемость окружающей среды (воздуха); А, В - посто нные коэффициенты,

определ емые площадью конденсатора датчика, шириной

электродов и зазором между ними;

h - толщина контролируемого материала .

Триггер 20 с частотой ц , определ емой параметрами мультивибратора 19, через электронные ключи 21, 22 обеспечивает поочередно подачу посто нного напр жени  от источника 23 к входам питани  высокочастотных генераторов 6, 7. Пакеты генерируемых колебаний высокой частоты

Ui-U sinCc t-Hf,,); ,isin(w1t+4 02)

(2) (3)

выравниваютс  по амплитудам усили- : тел ми 8 и 9, проход т через схему ИЛИ 10 и воздействуют поочередно на первичную обмотку автотрансформатора И, к вторичной обмотке которого подключены подстроечный конденсатор 12 и емкость электродной системы: измерительный высокопотенциальный электрод 2 - контролируемый материал 5 - низкопотенциальный электрод 3. Комплексный коэффициент передачи резонансного контура, образованного автотрансформатором 11, подстроечным конденсатором 12, электродами 2-3 при малых расстройках определ етс  выражением

к(() Q К D,(u.) j 1+JAQ

0

5

0

5

где Q

LL

w

kc

добротность резонансного контура;

относительна  расды w- wp С L г

резонансна  частота контура ; 2ДСО

ш;

стройка контура; абсолютна  расстройка контура;

емкость, образуема  электродной системой 2-3 и подстроечным конденсатором 12, вход щим в резонансный контур, при отсутствии контролируемого материала; индуктивность контура; сопротивление потерь контура;

кругова  частота напр жени , возбуждающего контур.

При этом модуль коэффициента передачи контура

-.2f

fl + OQ)1

К

(5)

а аргумент коэффициента передачи q arctgAQ.(6)

Амплитуда и фаза напр жений на резонансном контуре с учетом диэлектрических параметров контролируемого материала 5, а также с учетом того обсто тельства , что возбуждающие напр жени  высокочастотных генераторов выравниваютс  (U ), определ етс  выражением:

J K1Umsin(w,t+4 i+4 l))

k KAsin4t+V%)

де ы, ,

K,

V,.

Ki

- круговые частоты напр жений высокочастотных генераторов 6, 7; коэффициенты передачи резонансного контура на частоте ы1 и UL соответственно;

фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром

на частотах

2ТГ Я

W, и ыг;

период переключени  генераторов 6, 7.

Параметры резонансного контура подобраны таким образом, что при частоте ц, генератора 6 рабоча  точка располагаетс  на левой ветви резонансной кривой ненагруженного датчика, соответствующей максимальной крутизне АЧХ (А, -0,83), а при частоте шг генератора 7 - переходит на аналоги - ную точку на правой ветви резонансной кривой (A,j +0,83). При непрерыв- ном переключении генераторов б и 7 рабоча  точка контура переключаетс  с левой ветви резонансной кривой на правую с частотой (Ц мультивибратора 19. Коэффициент передачи ре- зонансного контура измен етс  от значени 

i9

Jl + (A,Q)

(8)

до значени 

Л + (М)1

(9)

а базовые сдвиги напр жени  U, ; U по отношению к напр жению на выходе схемы ИЛИ определ ютс  выражени ми

10

15

20

V , arctg QJ(, ifi-arctg рл,,

где

,

Wt

w,

JЈ .

A7

W0

W,

Ш,

We

l

(Ю) (П)

относительна  расстройка контура на частоте генератора 6;

относительна  расстройка контура на частоте генератора 7.

Напр жени  U и U поочередно поступают на один вход множительной схемы 14, к второму входу которой поочередно приложены непосредственно напр жени  генераторов 6, 7 через схему ИЛИ 10.

В один полупериод коммутации

25

(О )

в результате перемножени 

0

5

0

,

пакетов напр жений одной частоты образуетс  посто нна  составл юща  напр жени , пропорциональна  коэффициенту передачи контура на частоте

и, К3кХ ,(arctg Q,),

(12)

где К з- масштабный коэффициент множительной схемы 14.

Т В другой полупериод коммутации ( t

Т) посто нна  составл юща  пропорциональна коэффициенту передачи контура на частоте

U

14

KjKXcosVj-K U cosCarctg Q/4).

(13)

Посто нные составл ющие U UH Uj. поочередно выдел ютс  фильтром 15 низкой частоты и воздействуют на усилитель 16 низкой частоты.

В отсутствие контролируемого материала 5 коэффициенты передачи колебательного контура и косинусы фазовых сдвигов, вносимых контуром, равны

2

(14)

I + U,Q)1 -h + (AiQ)4 :os(arctg4,Q)cos(arctgAtQ), (15)

taK как равны абсолютные значени  Ьтносительных расстроек на частотах

Ш, И С0Ј

,

Вследствие этого равны и посто нные составл ющие напр жений U1 U.

При контакте электродов емкостного датчика 2-3 с материалом 5 в зависимости от значени  его объемной плотности происходит расстройка резонансного контура

1

Не Ль(с+дс)

(17)

где hС - вносима  контролируемым материалом емкость, пропорциональна  объемной плотности материала р.

При контакте электродов датчика с контролируемым материалом составл юща  АЈ( выражени  (1) посто нна и тогда это выражение относительно приращени  емкости и С от изменени  о объемной плотности о контролируемого материала приобретает следующий вид

4c(f)Ak,

(18)

Отсюда следует, что при неизменных геометрии датчика, диэлектрических свойств окружающей среды (Ј,) и посто нной толщине контролируемого материала (h) приращение емкости и С пропорционально изменению объемной плотности Р контролируемого материала .

Эти приращени  и С привод т к смещению рабочих точек на правой и левой ветв х резонансной кривой контура . Коэффициент передачи контура на частоте to, увеличитс  до значени 

si

к

J1+(Q 2)

(19)

а коэффициент передачи контура на частоте сог уменьшитс  до значени 

I-KQ

2JdW+cfwK 2

(20)

U)

где Q1 - добротность контура с учетом

потерь в материале.

Соответственно измен ютс  и фазовые сдвиги, вносимые расстроенным контуром

Y -arctg Q/ LCteiM

Ч К U)p

(21)

5 l/t-arctg Q

i 2 №+fui)

to.

(22)

т.е. фазовые сдвиги и станов тс  неодинаковыми.

Из-за возникающего неравенства посто нных составл ющих напр жений U 4 и усилителем 16 низкой частоты усиливаетс  переменна  составл юща  частоты Я. мультивибратора 19.

Si-,-- (K4cos -К2cos if ),

(23)

0

5

0

5

0

5

0

5

где К4 - коэффициент усилени  усилител  16.

Переменное напр жение с амплитудой U.), выпр мл етс  управл емым выпр мителем 17 и фиксируетс  регистратором 18.

Установка нул  регистратора 18 производитс  при отсутствии контакта датчика с контролируемым материалом с помощью подстроечного конденсатора 12.

Дл  поддержани  равенства амплитуд высокочастотных напр жений частоты о), и LO-г выходное напр жение схемы ИЛИ 10 детектируетс  амплитудным детектором 24. Посто нные составл ющие продетектированных напр жений поочередно выдел ютс  фильтром 25 низкой частоты и воздействуют на вход усилител  26 низкой частоты. При неравенстве амплитуд ( ) усилителем 26 усиливаетс  переменна  составл юща  частоты $1 , пропорциональна  разности амплитуд высокочастотных напр жений частот w, и и)2 и поступает на управл емый выпр митель 27. Посто нна  составл юща  напр жени , снимаемого с выхода управл емого выпр мител  27, пропорциональна  разнице амплитуд высокочастотных напр жений частот ы, и цк, поступает на управл ющий вход регулируемого усилител  9 высокой частоты. Направление изменени  коэффициента усилени  усилител  9 выбрано таким, что управл ющее воздействие приводит к выравниванию амплитуд высокочастотных напр жений частот си, и Ы4.

Неоднородность электрического пол , присуща  накладным датчикам вызывает наибольшую чувствительность устройства только к свойствам ближайших слоев контролируемого материала, накладываемого на датчик . В силу этого наличие неровностей поверхности контролируемого материала, прилегающего к датчику, дает большую погрешность измерени . Помимо этого, как следует из выражени  (1), дл  Л С приращение емкости, привнесенное в датчик контролируемым материалом, зависит не только от плотности f, но и от изменени  толщины контролируемого материала.

Устранение вли ни  толщины контролируемого материала и неровностей поверхности, прилегающей к датчику, на показани  регистрирующего прибора 18 в устройстве обеспечиваетс 

4, 4 и рассто ние между ними выбираютс  таким образом, что обеспечиваетс  измерение емкости, привнесенной объектом контрол , в зоне В (фиг. 2). Выбор ширины и расположени  этой зоны обеспечивают независимость показаний регистрирующего прибора 18 от толщины контролируемого мате- JQ риала и неровностей, прилегающих к преобразователю контролируемых поверхностей .

Повышение точности достигнуто за счет поочередного возбуждени  резо- J5 нансного контура колебани ми двух симметричных относительно резонанса частот, соответствующих наиболее крутым участкам обоих склонов резонансной кривой. При этом использование следующим образом. Напр жени  высоко- 2Q колебаний двух частот позвол ет получастотных генераторов 6, 7, поочеред- чить стабильный нуль при нулевом но поступающие на резонансный кон- значении контролируемого параметра, тур, в который включена емкость сие- что трудно обеспечить при работе темы высокопотенциальный электрод только на одной ветви резонансной 2 - контролируемый материал 5 - низ- 25 кривой расстроенного контура. Исполь- копотенциальный электрод 3, одновре- зование двух параметров датчика - мо- менно прикладываетс  к эквипотенци- дул  и аргумента коэффициента нереальным дополнительным электродам 4, дачи резонансного контура также повы- 4 через повторитель 13 напр жени . шает чувствительность и точность из30 мерени  объемной плотности объекта за счет более крутой преобразовательной характеристики выходное напр жение - объемна  плотность. Введение ;дополнительных электродов, эквипотен- зс циальных по отношению к измерительному , также повышает точность измерени  объемной плотности за счет исключени  вли ни  толщины контролируемого материала, неровностей прилегающих к (фиг. 2), кажда  из которых св зана 40 преобразователю контролируемых поверх- с напр жением на электродах 2, 4, 4 ностей, изменени  относительной ди- соответственно. Силовые линии на гра- электрической проницаемости окружаю ницах этих областей показаны штрихо- щей среды (воздуха). Использование выми лини ми. К измерительному элек- электронных управл емых ключей позво- троду 2 ток смещени  проходит только 45 л ет повысить надежность устройства через зону Б, и поэтому изменени , за счет устранени  коммутационных происход щие в зонах А и В, не вли- разрывов, возможности повышени  до  ют на результат измерени . Окружа- сотен килогерц частоты коммутации и юща  датчик среда (воздух) входит в как следствие уменьшени  посто нной зоны А и В, поэтому составл юща  ем- 50 вРеменн и дрейфа низкочастотного трак- кости, привнесенной контролируемым та устройства. материалом, св занным с относительной диэлектрической проницаемостью среды Ј,, также практически не .вли ет на рабочий ток смещени  преобра- 55

Повторитель 13 напр жени  обеспечивает равенство амплитуды и фазы напр жений, прикладываемых к электродам 4, 4 по отношению к амплитуде и фазе напр жени , прикладываемого к высокопотенциальному электроду 2. Между электродом 3 и электродами 2, 4, 4 , имеющими одинаковые напр жени , образуетс  электрическое поле, состо щее из трех областей А, Б и В

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  контрол  объемной плотности диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды , выполненные в виде компланарзовател , что обеспечивает независимость показаний регистрирующего прибора 18 от изменений Е3 окружающей среды. Ширина колец электродов 2,

   мерени  объемной плотности объекта за счет более крутой преобразовательной характеристики выходное напр жение - объемна  плотность. Введение ;дополнительных электродов, эквипотен- циальных по отношению к измерительному , также повышает точность измерени  объемной плотности за счет исключени  вли ни  толщины контролируемого материала, неровностей прилегающих к преобразователю контролируемых поверх- ностей, изменени  относительной ди- электрической проницаемости окружаю щей среды (воздуха). Использование электронных управл емых ключей позво- л ет повысить надежность устройства за счет устранени  коммутационных разрывов, возможности повышени  до сотен килогерц частоты коммутации и как следствие уменьшени  посто нной вРеменн и дрейфа низкочастотного трак- та устройства.

   Формула изобретени 

   Устройство дл  контрол  объемной плотности диэлектрических материалов, содержащее диэлектрическое основание, на котором расположены высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды , выполненные в виде компланарных концентрических колец, высокочастотный генератор с источником посто нного напр жени , множительна  схема , Аильтр низкой частоты, усилитель низкой частоты, управл емъй выпр митель и регистрирующий прибор, мультивибратор , причем выход генератора соединен с колебательным контуром, выход которого соединен с высокопотенциальным электродом датчика, выход множительной схемы соединен с последовательно соединенными фильтром низкой частоты, усилителем низкой частоты, управл ющим выпр мителем и регистрирующим прибором, отличающеес  тем, что,

   с целью повышени  точности, оно снабжено схемой ИЛИ, вторым генератором высокой частоты, двум  ключами и триггером, вход которого подключен к мультивибратору, а выходы соединены с управл ющими входами ключей, входы которых подключены к источнику посто нного напр жени , а выходы - к входам питани  высокочастотных генераторов , выходы которых соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с одним входом множительной схемы, второй вход которой подключен к выходу колебательного контура, при этом вход колебательного контура соединен с выходом схемы ИЛИ.