Автоматизированная универсальная высокочастотная диэлькометрическая установка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Васильев, Владимир Викторович

• Васильев, Владимир Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Владимир Викторович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ.

1.1 Общая классификация методов.

1.2 Резонансные методы.

1.2.1 Генераторные методы.

1.2.2 Контурные методы.

1.2.3 Основные формулы, отображающие обобщенную математическую модель измерительного преобразователя.

1.2.4 Контурные схемы с настройкой в резонанс по фазовому углу.

1.2.5 Измерительные схемы с параметрической модуляцией.

1.3 Особенности измерения диэлектрических параметров твердых материалов на высоких частотах.

1.4 Высокочастотные универсальные диэлькометрические анализаторы, разработанные Ангарским ОКБ А.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

2.1 Условия обеспечения максимальной чувствительности схемы сравнения при измерении диэлектрической проницаемости.

2.2 Связь ПКК с генератором через активное сопротивление.

2.3 Обоснование места включения модулирующей емкости.

2.4 Пассивный колебательный контур с емкостной модуляцией как измерительный преобразователь проводимости.

2.4.1 Статическая характеристика по проводимости идеализированного ПКК с емкостной модуляцией.

2.4.2 Анализ чувствительности измерительного преобразователя с модулируемым ПКК по проводимости и тангенсу угла потерь.

2.4.3 Учет влияния остаточных (паразитных) параметров ПКК на статическую характеристику анализатора по проводимости.

2.5 Статическая характеристика диэлькометра по измеряемой емкости.

2.5.1 Минимизация влияния остаточных параметров на диапазон измерения изменений емкости ячейки.

2.5.2 Анализ совместного влияния остаточных параметров ПКК и проводимости исследуемого вещества на СХпо емкости.

2.5.3 Анализ влияния асимметрии коммутируемых в ПКК ветвей на СХ диэлъкометра по емкости.

2.5.4 Статическая характеристика диэлъкометра по измеряемой емкости.

2.5.5 Нейтрализация паразитных емкостных связей между ПКК и отсчетным генератором.

2.6 Выводы.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАЗИТНЫХ СИГНАЛОВ НА РАБОТУ ДИЭЛЪКОМЕТРА.

3.1 Анализ влияния паразитных сигналов на эффективность фазочувствительного усилителя.

3.2 Анализ переходных процессов в резонансном контуре с параметрической модуляцией.

3.3 Спектральный анализ сигнала помехи, обусловленной переходными процессами в ПКК.

3.4 Минимизация влияния паразитных сигналов в диэлькометрах с емкостной модуляцией LC-контура.

3.5 Выводы.

ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ВОЗБУЖДАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ РЕЗОНАНСНЫХ ДИЭЛЬКОМЕТРОВ.

4.1 Исследование влияния нелинейных искажений.

4.2 Минимизация влияния нелинейных искажений.

4.3 Выводы.

ГЛАВА 5 РЕАЛИЗАЦИЯ ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ.

5.1 Функциональная схема диэлькометрической установки и базовое программное обеспечение.

5.2 Комбинированный способ измерения диэлектрических характеристик твердых материалов.

5.2.1 Способ измерения и основные расчетные формулы.

5.2.2 Учет в расчетных формулах остаточной неплоскостности электродов ячейки.

5.2.3 Оценка составляющих погрешности, обусловленных краевой емкостью и неплоскостностью поверхностей испытуемых образцов.

5.2.4 О величине составляющей остаточной погрешности измерения е методом сохранения емкости после учета краевой емкости.

5.2.5 Оценка суммарной случайной погрешности.

5.3 Усилитель мощности для возбуждения ПКК. Расчет нелинейных искажений.

5.4 Калибровка диэлькометрического анализатора при выпуске.

5.4.1 Методика калибровки.

5.4.2 Учет смещения линеаризованной характеристики амплитудного детектора.

5.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизированная универсальная высокочастотная диэлькометрическая установка»

Актуальность работы

Измерения диэлектрических характеристик необходимы не только для оценки изоляционных свойств материалов, но на основе этих измерений создается множество приборов, как для автоматического технологического контроля (контроль процессов полимеризации, измерение влажности веществ в различных агрегатных состояниях и т.д.), так и для научных исследований (измерение дипольных моментов, диэлькомет-рическое титрование и т.д.).

Наиболее универсальными с точки зрения применимости являются высокочастотные резонансные диэлькометрические анализаторы (ДА), так как они пригодны для контроля веществ с диэлектрическими потерями (эквивалентной проводимостью), изменяющимися в широких пределах.

Для оптимизации разработки и применения промышленных диэлькометриче-ских анализаторов необходимы лабораторные установки для обеспечения предварительных исследований веществ в различных агрегатных состояниях в широком диапазоне частот и температур.

Ангарским ОКБА разработан и выпускается ряд автоматизированных универсальных лабораторных измерителей диэлектрических характеристик веществ в диапазоне частот от 0,1 до 10,0 МГц среди них: прецизионный диэлькометр Тангенс 2М, диэлькометр проводящих веществ Ш2-3, универсальный с микропроцессорным управлением диэлькометр Ш2-5. В этих приборах в качестве измерительного преобразователя используется пассивный колебательный контур (ПКК) с параметрической модуляцией.

К настоящему времени стало очевидным, что теоретическая база, которая положена в основу разработки этих приборов, требует дальнейшего развития. Это позволит улучшить метрологические характеристики нового поколения универсальных высокочастотных диэлькометров, повысить их метрологическую надежность и степень автоматизации.

Целью диссертации является разработка автоматизированной универсальной высокочастотной диэлькометрической установки.

В первой главе проведен анализ методов измерения диэлектрических характеристик и выбор наиболее перспективного метода с точки зрения обеспечения максимальной степени автоматизации, универсальности, предельной точности измерения диэлектрической проницаемости (ДП) ±0,02%, возможности исследования веществ с tgb»\. Рассмотрены методы измерения и соответствующие технические решения, обеспечивающие измерения диэлектрических характеристик в широком диапазоне частот. Определено, что в диапазоне частот от 0,1 до 100 МГц наиболее перспективными являются резонансные методы, которые могут обеспечить: во-первых, высокую чувствительность и точность автоматизированных измерений обеих составляющих комплексной диэлектрической проницаемости; во-вторых, возможность исследования веществ с потерями, изменяющимися в широких пределах. Эти возможности обеспечиваются использованием в качестве измерительного преобразователя пассивного резонансного контура с параметрической (емкостной) модуляцией. Приведены основные формулы, отображающие обобщенную математическую модель измерительного преобразователя на основе пассивного колебательного контура, связанного с задающим генератором (ЗГ) через комплексное сопротивление.

Рассмотрены особенности измерения диэлектрических параметров твердых материалов на высоких частотах. Рассмотрены и проанализированы достоинства и недостатки универсальных автоматизированных диэлькометрических анализаторов, разработанных Ангарским ОКБ А.

В процессе выполнения работы необходимо:

1) уточнить статические характеристики (СХ) и критерии, по которым определяются оптимальные параметры измерительного преобразователя, учесть в СХ влияние паразитных параметров элементов ПКК и несовершенство характеристики амплитудного детектора (АД);

2) определить уровень паразитных сигналов, являющихся продуктом переходных процессов в ПКК, и исследовать их влияние совместно с другими паразитными сигналами на чувствительность системы уравновешивания;

3) проанализировать влияние нелинейных искажений возбуждающего ПКК напряжения на точность уравновешивания измерительного преобразователя;

4) предложить технические решения, нейтрализующие влияние вышеназванных факторов;

5) повысить степень автоматизации и точность измерения диэлектрических характеристик твердых материалов;

6) разработать методику автоматизированной калибровки диэлькометриче-ского анализатора по каналам измерения емкости и проводимости.

Вторая глава посвящена получению обобщенной математической модели и аналитических соотношений, определяющих оптимальные параметры измерительного преобразователя, и СХ по каналам измерения емкости и проводимости диэлько-метрических анализаторов на основе ПКК с параметрической модуляцией.

Показаны преимущества емкостной (реактивной) связи ПКК с задающим генератором перед связью через активное сопротивление с точки зрения обеспечения требуемой чувствительности и экономичности измерительного преобразователя. Получены соотношения для расчета допустимого значения внутреннего сопротивления Ri задающего генератора, оптимальных значений емкости связи Ссв опт ПКК с ЗГ и модулирующей емкости См, исходя из заданных значений глубины модуляции п, максимальной эквивалентной проводимости исследуемого (образца) вещества g и допустимой абсолютной погрешности АС уравновешивания измерительного преобразователя по емкости.

Исследовано влияние остаточных (паразитных) параметров элементов ПКК на основные СХ измерительного преобразователя по емкости и проводимости.

Показано, что в результате перераспределения емкостей в ПКК при обратном замещении изменения емкости ячейки после заполнения исследуемым веществом емкостью вспомогательного конденсатора изменяются калибровочные коэффициенты СХ по проводимости: собственная эквивалентная проводимость ПКК gK и глубина параметрической модуляции п. Определен аналитически вид соответствующих зависимостей. Учет в СХ по проводимости зависимости калибровочных коэффициентов gK(X) и N(X) от изменения X емкости ячейки в виде полиномов второго порядка позволил уменьшить мультипликативную составляющую погрешности измерения проводимости на частотах 1 и 10 МГц с 20 % до 0,5-5-0,6 %.

Учет асимметрии коммутируемых ветвей позволил уменьшить на частоте 10 МГц аддитивную составляющую погрешности измерения проводимости с 0,6-Ю,9 мСм (что соответствует A/g8=0,08-K),12 при емкости ячейки 120 пФ) до 2ч-3,3 мкСм (А#5=0,0003-И),0004).

Определена СХ диэлькометра по каналу измерения емкости, учитывающая как совместное влияние паразитных параметров и проводимости, так и остаточную асимметрию коммутируемых ветвей ячейки и измерительного конденсатора.

Предложена принципиальная схема модифицированного измерительного преобразователя, исключающая паразитные емкостные связи между ЗГ, ПКК и отсчет-ным генератором (ОГ).

Третья глава посвящена исследованию влияния паразитных сигналов большого уровня на эффективность (чувствительность) системы автоматического уравновешивания измерительного преобразователя. При проектировании диэлькометрических анализаторов на основе ПКК с параметрической модуляцией и астатической системой уравновешивания, в которой в качестве интегрирующего звена используется асинхронный реверсивный электродвигатель (РД), необходимо учитывать два источника паразитных сигналов. Первым является источник питания, а вторым переходные процессы в ПКК. Частота основной гармонической составляющей этих сигналов в два раза выше частоты полезного, а амплитуда помехи может в десятки раз превышать амплитуду полезного сигнала. При большом уровне паразитного сигнала (помехи) независимо от его частоты фазочувствительный усилитель (ФУ) (усилитель в блоке автоматической подстройки частоты, АПЧ) работает в нелинейной области, что приводит к снижению его эффективного коэффициента усиления /^эфф по сравнению с номинальным Kq и, следовательно, к увеличению зоны нечувствительности системы уравновешивания.

При наличии паразитного сигнала, частота которого совпадает с частотой полезного, необходимо рассматривать влияние на АГэфф только составляющей сдвинутой по фазе на ±я/2, так как составляющая, совпадающая по фазе или находящаяся в противофазе с полезным сигналом, может быть скомпенсирована на входе ФУ. Анализ показал, что ослабление коэффициента усиления полезного сигнала помехой удвоенной частоты вдвое сильнее, чем помехой, частота которой равна частоте полезного сигнала.

В следующих разделах третьей главы даны анализ переходных процессов в ПКК с параметрической модуляцией и спектральный анализ сигнала помехи, обусловленной переходными процессами. Получены формулы, моделирующие переходные импульсы напряжения на выходе амплитудного детектора. Показано, что амплитуда переходных импульсов при одинаковых значениях резонансной емкости ПКК зависит только от добротности контура и глубины параметрической модуляции и не зависит от частоты измерения. При этом длительность переходных импульсов обратно пропорциональна частоте измерения. Результаты анализа показывают, что амплитуда импульсов переходного напряжения составляет более 10 % от амплитуды напряжения, возбуждающего ПКК.

Корректность полученных расчетных формул подтверждена экспериментально и электронным моделированием в пакете Electronics Workbench (EWB). Расхождение результатов не превышает 1 %.

В виду сложности полученных функций, описывающих импульсы переходного напряжения, аналитический метод нахождения частотного спектра периодически повторяющейся пары импульсов, соответствующих подключению и отключению модулирующей емкости, в соответствии с формулами Фурье преобразования оказывается неприемлемым. Нами использован графо-аналитический метод, основанный на свойстве линейности спектров, который был модифицирован применительно к большой скважности переходных импульсов. Данная методика расчета дает существенно лучшие результаты по сравнению со встроенными функциями программы MathCAD при существенно меньших затратах времени на расчетную процедуру.

Анализ спектральных характеристик импульсной помехи показал:

1. При неблагоприятном сочетании значений частоты измерения и частоты модуляции содержание первой и второй паразитных гармонических составляющих в сигнале помехи оказывается особенно высоким. Наличие первой гармоники в сигнале помехи, обуславливает смещение настройки контура в резонанс, величина которого зависит от добротности ПКК, т.е. от проводимости исследуемого вещества. Наличие второй гармоники в сигнале помехи существенно снижает чувствительность системы уравновешивания. Например, при частотах измерения 0,1 МГц и модуляции 500 Гц при добротности ПКК равной четырнадцати амплитуда второй гармоники в сигнале помехи составляет 2,2 % от амплитуды возбуждающего напряжения, в то время как система уравновешивания должна реагировать на полезный сигнал на два порядка меньше (0,18 мВ). При понижении частоты модуляции до 50 Гц, т.е. при возрастании скважности импульсного паразитного сигнала амплитуда второй гармоники уменьшается примерно в 10 раз, но, тем не менее, на порядок превосходит полезный сигнал.

2. Амплитуда второй гармоники в сигнале помехи пропорциональна частоте модуляции и обратно пропорциональна частоте измерения.

3. Следовательно, для реализации в полной мере потенциальных возможностей анализаторов с параметрически модулированным ПКК необходимо из сигнала расстройки на выходе амплитудного детектора исключать сигнал помехи.

С целью повышения точности измерения диэлектрических параметров предложено в обобщенную структурную схему прибора ввести блок коррекции сигнала (БКС), исключающий из сигнала рассогласования импульсы переходного напряжения. Вырезаются 10 % участки, прилегающие к переднему и заднему фронтам каждого полупериода. Во всех случаях, встречающихся на практике, длительность вырезаемых участков существенно превосходит длительность переходного процесса в измерительном контуре. Необходимо отметить, что даже при отсутствии переходных искажений вырезание десятипроцентных участков из сигнала рассогласования улучшает его спектральный состав. Анализ спектрального состава сигнала рассогласования, неискаженного переходными процессами показывает, что амплитуда первой гармоники уменьшается всего на 5 %, а коэффициент высших гармоник уменьшается с 0,45 до 0,26.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния нелинейных искажений возбуждающего ПКК напряжения на работу резонансных диэлькометров. При отсутствии нелинейных искажений и равенстве модулей коэффициента передачи измерительной схемы при подключенной и отключенной модулирующей емкости См равновесие наступает при резонансном (среднем) значении емкости Ср, не зависящем от проводимости g. В реальном случае при наличии в возбуждающем высокочастотном (ВЧ) напряжении высших гармонических составляющих настройка контура осуществляется по равенству максимальных за период значений напряжения на измерительном контуре при подключенной и отключенной модулирующей емкости, выделяемых амплитудным детектором и являющихся функцией амплитуд и фазовых соотношений всех гармонических составляющих напряжения на ПКК.

Определена зависимость от проводимости смещения соответствующего равновесию значения емкости ПКК относительно резонансного значения при наличии нелинейных искажений возбуждающего напряжения. Это смещение является источником систематической погрешности, приведенное значение которой при максимальной проводимости может достигать 10 % при коэффициенте нелинейных искажений 2 %.

Полученные результаты анализа не только обосновывают необходимость минимизации нелинейных искажений возбуждающего ПКК напряжения, но и позволили предложить два схемотехнических решения, практически нейтрализующих их влияние. Первое из них, наиболее радикальное, состоит в использовании двухполупери-одного мостового амплитудного детектора (АДД). Показано, что при двухполупери-одном детектировании нейтрализуется влияние четных гармоник. Предложена принципиальная схема АДД. В этом случае остаточная систематическая составляющая погрешности, обусловленная наличием третьей гармонической составляющей в возбуждающем напряжении не превышает минус 0,7 %.

Второе решение исходит из того, что обусловленная нелинейными искажениями разность напряжений на выходе АД незначительно зависит от проводимости, поэтому она может рассматриваться как паразитный сигнал постоянного уровня на входе АПЧ, который может быть скомпенсирован противоположным по фазе сигналом с выхода модулятора. Это позволяет исключить как остаточную погрешность настройки в резонанс, обусловленную наличием нечетных гармоник в возбуждающем напряжении, так и минимизировать общую погрешность при однополупериодном детектировании.

Благодаря перечисленным мерам рассматриваемая составляющая погрешности измерения s' веществ с tg5&8 уменьшена с 10 % до 0,5 % при емкости датчика с веществом порядка 100 пФ.

Пятая глава посвящена разработке функциональной схемы автоматизированной установки для исследования диэлектрических характеристик в диапазоне частот 0,1-10,0 МГц. При разработке были учтены факторы, влияние которых рассмотрено в предыдущих разделах диссертации: переходные процессы, паразитные параметры элементов ПКК, изменение глубины параметрической модуляции и добротности

ПКК, нелинейные искажения и дрейф (временная нестабильность) амплитуды возбу-ф ждающего ПКК напряжения.

На базе однокристальной ЭВМ АТ89С52 разработан блок сопряжения (БС), обеспечивающий двустороннюю связь между блоками диэлькометрической установки и ПЭВМ через последовательный порт RS-232. БС обеспечивает: прием частотных сигналов от пяти источников (измерительных преобразователей установки): ЗГ, ОГ, преобразователя напряжение-частота (ПНЧ), измерителя средней толщины образцов твердых диэлектриков и датчика температуры; передачу управляющих релейных сигналов; возможность работы установки в автономном режиме (без ПЭВМ).

Программное обеспечение ПЭВМ позволяет пользователю гибко изменять режим измерения: работа в цикле или без цикла, с усреднением или без, задать любую ^ комбинацию из трех возможных частот измерения и т.д.

Разработаны следующие базовые подпрограммы (функции): подготовка, калибровка, поиск и автоматический выбор диапазона измерения, измерение изменения емкости и эквивалентной проводимости ячейки после заполнения её исследуемым веществом.

На основе базовых разработаны подпрограммы измерений с различными типами ячеек, обеспечивающие: абсолютные измерения диэлектрической проницаемости жидкостей с ячейками переменной емкости типа ЯЖ-4 и ЯЖ-6; измерение е и tgb жидких веществ в ячейках постоянной емкости; измерение малых значений тангенса угла потерь (fg5<0,0001) жидкостей в ячейках переменной емкости; измерение ди-♦ электрических характеристик твердых материалов; измерение эквивалентных емкости и сопротивления двухполюсников; измерение диэлектрических характеристик вязких веществ; калибровку ячеек постоянной емкости с использованием одной или трех эталонных жидкостей; калибровку СХ установки по емкости и проводимости.

Возможно автоматическое получение температурных, временных и концентрационных зависимостей (т.е. диэлькометрическое титрование, контроль реакций полимеризации и т.д.) в табличной и графической форме.

При измерении диэлектрических характеристик дисковых образцов в ячейках с микрометрическими электродами ЯД-2 и ЯД-4 при минимальном числе операций реализуется комбинация методов сохранения емкости и сохранения расстояния. Пер* вый обеспечивает максимальную точность измерения диэлектрических потерь, второй - диэлектрической проницаемости. Расчетные формулы учитывают изменение краевой емкости, имеющее место при изменении межэлектродного расстояния, остаточную неплоскостность электродов ячейки, соотношение диаметров электродов и г испытуемого образца, среднюю толщину образца.

В заключении приводятся основные выводы в целом по диссертационной работе.

В приложениях приводятся прикладные программы анализа влияния на точность диэлькометрической установки паразитных сигналов и нелинейных искажений возбуждающего ПКК напряжения, программа расчета калибровочных коэффициентов статической характеристики по проводимости, принципиальные схемы, результаты экспериментов.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Васильев, Владимир Викторович

5.5 Выводы

Описаны функциональные схемы автоматизированной диэлькометрической установки в целом и блока сопряжения измерительных преобразователей установки с ПЭВМ. Дана оригинальная принципиальная схема формирователя временных интервалов, позволившая расширить до 35 МГц диапазон преобразования поступающих на БС частотных сигналов в код.

Приведена блок-схема программного обеспечения БС на основе однокристальной ЭВМ АТ89С52, обеспечивающего двустороннюю связь измерительных преобразователей установки с ПЭВМ и автономную работу - прием частотных сигналов от измерительных преобразователей и ручное управление режимом работы установки без ПЭВМ.

Дано краткое описание базового ПО ПЭВМ, обеспечивающего измерение основных параметров емкостного датчика (емкости и эквивалентной проводимости) в соответствии со статическими характеристиками.

Рассмотрен комбинированный способ измерения диэлектрических характеристик дисковых образцов листовых материалов. Алгоритм выполнения операций, реализующих способ положен в основу соответствующего раздела ПО. Расчетные формулы учитывают изменение краевой емкости, остаточной неплоскостности электродов ячейки, наличие зазора между электродами и образцом, диаметр образца. Дан анализ основных составляющих погрешности. Приведены экспериментальные результаты.

Дан анализ нелинейных искажений усилителя мощности на выходе ЗГ. Предложен способ расчета коэффициентов гармоник по коэффициентам сквозной характеристики, обеспечивающий более высокую точность при малой трудоемкости. По результатам расчета определено в высокочастотном напряжении на выходе ЗГ соотношение (амплитудное и фазовое) второй и третьей гармоник, которое было использовано в Главе 4 настоящей работы.

Описана методика калибровки СХ установки по проводимости, требующая минимального числа эталонов емкости (три для всех поддипазонов) и проводимости (два для каждого поддиапазона). Методика калибровки предусматривает и определение напряжения смещения характеристики линейного высокочастотного амплитудного детектора.

Результаты экспериментов приведены в Приложении И.

Заключение

Разработана автоматизированная универсальная высокочастотная диэлькомет-рическая установка.

Были выполнены следующие задачи:

• Аналитическим путем определена математическая модель, позволяющая оптимизировать параметры базовой схемы измерительного преобразователя универсального высокочастотного диэлькометра на основе ПКК с емкостной модуляцией. Исследованы и уточнены условия обеспечения максимальной чувствительности схемы сравнения при измерении комплексной диэлектрической проницаемости веществ с потерями, изменяющимися в широких пределах. Определены статические характеристики измерительного преобразователя на основе ПКК как по емкости, так и по проводимости с учетом влияния на них глубины параметрической модуляции, проводимости анализируемого вещества и паразитных параметров ПКК, а именно импеданса проводников и контактов реле, соединяющих конденсаторы переменной емкости и ячейку с ПКК.

• Разработана методика автоматизированной калибровки по каналам измерения проводимости и емкости с прикладными расчетными программами. На частоте 10 МГц мультипликативная составляющая погрешности измерения проводимости уменьшена с 20% до 0,5-И %, а аддитивная - с ±1 мСм до ±(2ч-3) мкСм.

• Изучено влияние паразитных сигналов на эффективность системы автоматического уравновешивания. Показано, что одним из главных источников этих сигналов являются переходные процессы в ПКК с параметрической модуляцией. На частоте измерения 0,1 МГц при частоте модуляции 50 Гц амплитуда второй гармоники этого сигнала более чем на порядок превосходит амплитуду полезного сигнала, необходимую для уравновешивания, что приводит к соответствующему уменьшению коэффициента усиления в цепи ООС. Разработаны базовая структурная и принципиальная схемы цифрового блока коррекции, позволяющие исключить из сигнала рассогласования паразитную составляющую, обусловленную переходными процессами в ПКК с параметрической модуляцией.

Изучено влияние нелинейных искажений возбуждающего ПКК напряжения и проводимости исследуемого вещества на точность измерения диэлектрических характеристик. Разработан математический аппарат для соответствующего анализа. Показано, что при коэффициенте нелинейных искажений 2% дополнительная погрешность измерений диэлектрической проницаемости веществ с эквивалентной проводимостью более 1 мСм оказывается недопустимо большой. С целью нейтрализации влияния четных гармоник в возбуждающем напряжении на точность уравновешивания предложено для выделения сигнала рассогласования и повышения чувствительности использовать двухполупериодный мостовой детектор.

Разработан метод нейтрализации в измерительном преобразователе паразитных емкостных связей между задающим генератором, ПКК и отсчетным генератором.

Исследованы особенности применения варикапов в диэлькометрических анализаторах и сформулированы соответствующие рекомендации. Разработан комбинированный способ измерения диэлектрических свойств твердых веществ на высоких частотах, позволяющий повысить точность и степень автоматизации измерений.

Результаты исследований расширяют область применений автоматизированных диэлькометрических анализаторов, обеспечивают повышение производительности и точности исследований объектов с проводимостью до 5 мСм, и предельной точностью измерения диэлектрической проницаемости 0,02% и проводимости 0,001 мкСм и могут быть использованы при разработке новых автоматических промышленных анализаторов для технологического контроля. Результаты исследований, используются в Ангарском ОКБА при разработке новых и модернизации диэлькометрических анализаторов, в ВС НИИФТРИ при аттестации стандартных образцов диэлектрической проницаемости.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Владимир Викторович, 2005 год

1. Фрёлих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. // Пер. с англ. Сканави Г.И. - М.: издательство иностранной литературы. - 1960.-251 е.: ил.

2. Хиппелъ А. Диэлектрики и их применение. // M.-JI.: ГЭИ. 1959.

3. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. // М.: Химия. 1988.-С. 160.

4. Колупаев Б.С., Кит В.Я. и др. Измерение диэлектрических характеристик полимерных материалов в широких интервалах частот и температур. // Методы и приборы для анализа состава вещества: Научные труды ВНИИАП. Киев: 1973, выпуск 2.-С. 50-53.

5. Кричевский Е.С., Бензаръ В.К., Венедиктов М.В. и др. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. // Под общей редакцией Е.С. Кричевского. М.: Энергия. - 1980. - 240 е.: ил.

6. Эме Ф. Диэлектрические измерения. // Пер. с нем. под ред. Заславского И.И. — М.: Химия. 1967. - 223 е.: ил.

7. Надь Ш.Б. Диэлектрометрия. // Пер. с венг. под ред. Малова В.В. М.: Энергия. - 1976.-200 е.: ил.

8. Джапаридзе Т.Д. Прибор для экспрессного определения влажности муки. // Му-комольно-элеваторная промышленность. 1962. -№ 10. - С. 22.

9. Берлинер М.А. Измерение влажности. // М.: Энергия. 1973. - 400 е.: ил.

10. Кричевский Е.С. Высокочастотный контроль влажности при обогащении полезных ископаемых. // М.: Недра. 1972.

11. И. Reilley, Ch. N. High Frequency Methods in New Instrumental Methods in Electrochemistry; Delahey, P., Ed.; Interscience: New York. London. 1954.

12. Erno Pungor, Ferenc Pal and Klara Toth. Oscillometric Flow Cell for Measurement of Conductivity and Permittivity. Analytical Chemistry, vol. 55, No. 11, 1983, 17281731.

13. Подгорный Ю.В., Аверин A.M., Кесслер Ю.М. Методы и приборы для измерения влажности минеральных удобрений на высоких частотах. // Обзорная информация. М.: НИИТЭХИМ. - 1979.

14. Иванов Б.Р. Влагомер мытой шерсти АВ6800. // Приборы и системы управления. 1991.-№ 11.-С. 45-46.

15. Джапаридзе Т.Д., Шаламберидзе Э.Д., Месхидзе Р.Н. Влагомер для массового анализа зерна и зернопродуктов ЦВЗ-З. // Приборы и системы управления. -1986.-№ 11.-С. 23-24.

16. Дробков В.П., Мельников В.И., Лабутин С.А. Методы и средства измерений влажности нефти. // Датчики и системы. 2002. - № 11. - С. 23-26.

17. Солодимова Г.А., Баранов Вик.А., Баранов Вл.А., Кострикина И.А. Портативный влагомер мазута. // Датчики и системы. 2003. - № 4. - С. 47-48.

18. Huang S.M., Stott A.L., Green R. G., Beck M.S. Electronic transducers for industrial measurement of low value capacitances. // J. Phys. E: Scientific Instruments, 1988, 21, No. 4, 242-250 (англ.).

19. Агалаков A.A. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков: 1. Методы определения параметров элементов схем замещения первичных преобразователей. // Приборы. 2001. - № 1(7). - С. 18-20.

20. Агалаков А.А. Измерительные цепи емкостных и индуктивных датчиков: 2. Обобщенный подход. // Приборы. 2001. - № 8(14). - С. 24-27.

21. Lynch А.С. A Method for Precise Measurement of Permittivity of Sheet Specimens. // The Proceedings of IEE. 1957. - 104 B. -№ 16 - p. 359-362.

22. Чураков П.П. Преобразователь параметров четырехэлементных двухполюсных электрических цепей в напряжение. // Приборы и системы управления. 1997. -№4.-С. 32.

23. Арбузов В.П. Измерительные цепи дифференциальных емкостных датчиков. // Приборы и системы управления. 1998. - № 2. - С. 28-29.

24. Куроедов С.К Измерительные преобразователи параметров комплексных сопротивлений и проводимостей с использованием меандровых сигналов. // Приборы и системы управления. 1999. - № 2. - С. 40-43.

25. Волгин Л.И., Тетенькин Ю.Г. Измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков. // Приборы и системы управления. 1988. - № 4. - С. 2225.

26. Абрамов И.А., Крысин Ю.М., Путилов В.Г. Об одном способе преобразования параметров емкостных датчиков в напряжение. // Приборы и системы управления. 1999. -№ 2. - С. 43-45.

27. Машошин П.В., Рябов В.Ф. АЦП для влагомеров сыпучих веществ. // Приборы и системы управления. 1988. - № 2.

28. Машошин П.В., Чураков П.П., Щербаков М.Ю. Преобразователь параметров емкостного датчика для диэлькометрических влагомеров. // Датчики и системы. -2003. -№ 1.-С. 24-26.

29. Hartshorn L. Radio Frequency Measurements by Bridge and Resonance Methods 3rd imp. - London: Chapman & Hall Ltd., 1942. - 265 pp.

30. Митрофанов Г.А., Стрельников М.Ю. Измеритель диэлектрических потерь. // Приборы и системы управления. 1998. - № 2. - С. 29-30.

31. Подгорный Ю.В., Воропаев В.И., Усиков С.В. Многоканальный диэлькометриче-ский дистанционный анализатор состава жидких продуктов. // Автоматизация химических производств: Реферативный научно-технический сборник. М.: НИИТЭХИМ, 1990, выпуск 4. - С. 21-22.

32. Грохольский A.JI. Измерители добротности куметры. // Новосибирск: Наука. -1966.

33. Ерошенко Г.П., Шаруев Н.К., Парусов В.П., Шаруев В.Н. Расширение функциональных возможностей диэлькометрического метода. // Измерительная техника. 1999.-№9.-С. 61-63.

34. Полулях КС. Резонансные методы измерений. // М.: Энергия, 1980. 120 е.: ил.

35. Leon N. Klatt //Analytical Chemistry, 48, N 13, 1845-1850.

36. Какимото (A.Kakimoto), Это (A.Etoh), Хирано (K.Hirano), Нонака (S.Nonaka). Прецизионные измерения диэлектрических параметров в диапазоне от 1 кГц до 100 МГц. // Приборы для научных исследований. 1987. - № 2. - С. 105-112.

37. Reddish W., Bishop A., Buckingham К.А. and Hyde P.J. Precise measurements of dielectric properties at radio frequencies. // Proc. IEE. vol. 118. - No 1. - 1971. - pp. 255-265.

38. Buckingham K.A. and Billing J. W. A new apparatus for the precise measurement of low dielectric loss over the frequency range 0.1 to 200 MHz. // 3rd Int. Conf. Dielectric Mater. Meas. and Appl. Birmingham, 1979, London-New York, pp. 392-395.

39. Штейн Н.И. Автогенераторы гармонических колебаний. // M.-JI.: Госэнергоиз-дат. 1961.-625 е.: ил.

40. Подгорный Ю.В., Терлецкая JI.A. Измеритель диэлектрических характеристик. // Приборы и системы управления. 1974. - № 4. - С. 38-39.

41. Лукашевич М.Ф., Оробей И.О., Кузъмицкий И.Ф. Устройство для измерения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь полимеров. // Датчики и системы.-2004.-№ 12.-С. 15-16.

42. Kraub A. HF-Digitalgranulalfeuchtmesser (Высокочастотный цифровой влагомер гранул). // MSR, Berlin 27 (1984) № 6. С. 263-265.

43. Maczynsky S., Hurwic J. Method of determination of dielectric constant by direct measurement of frequency. // Acta physica polonica. 1966. - vol. XXX. -p. 520-528.

44. A.c. № 662881 СССР / Кравченко С.И., Балаклеев B.H. Анализатор характеристик диэлектрических материалов. // Бюл. изобрет. — 1979. — № 18.

45. Грошковскш Я. Генерирование высокочастотных колебаний и стабилизация частоты. // Пер. с польск. B.JI. Булата, под ред. Б.К. Шембеля М.: издательство иностранной литературы. - 1958. - 364 е.: ил.46. Патент США №3794911.

46. Ройфе B.C. II Приборы и системы управления. 1967. - № 5.

47. Авт. свид. СССР № 162204. «Бюл. изобр. и тов. зн.». - 1964. - № 3.

48. Авт. свид. СССР № 249749. «Откр., изобр., пром. обр. и тов. зн.». - 1969. - № 25.

49. Авт. свид. СССР № 515982. «Откр., изобр., пром. обр. и тов. зн.». - 1969. - № 25.

50. Сологян И.Х., Буравлев В.В., Балаклеев В.Н. Методы повышения точности измерения содержания связующего компонента в армированных неметаллических материалах емкостным преобразователем. // Измерительная техника. 1974. - № 6. - С. 82-84.

51. Стецовский А.П., Чеперигин Э.А., Любутин О.С. Автоматическая установка для измерения температурных зависимостей диэлектрических характеристик, веществ. // Измерительная техника. 1974. - № 9. - С. 67-78.

52. Момот Е.Г. Генератор с шунтирующим диодом и его применение. // М.-Л.: Гос-энергоиздат. 1959. - 156 е.: ил.

53. Романенко Ю.В. Прибор для измерения диэлектрической проницаемости. // Авт. св. СССР, Кл. G 01 N 27/22, № 696362, опубликовано 05.11.79.

54. Беркович Л.А., Фомин A.M., Назмиев Ф.М. Автоматический прибор для регистрации диэлектрических характеристики высокоомных полупроводников и диэлектриков. // Прием и обработка информации в сложных информационных системах (Казань). 1979.-№9.-С. 128-131.

55. Двинских В.А., Парусов В.П., Сергеев А.С. II Метрология: приложение к журналу «Измерительная техника». 1978. - № 5. - С. 5.

56. Ерошенко Г.П., Парусов В.П., Шаруев В.Н. Автогенераторный преобразователь параметров емкостного датчика с высокими потерями. //Приборы и техника эксперимента. 2001.-№ 1.-С. 65-67.

57. Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н., Юров П.Н. Расширение допустимого диапазона активных потерь датчика при преобразовании его емкости в частоту. // Приборы и техника эксперимента. 2002. - № 1. - С. 70-72.

58. Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н. Расширение диапазона преобразования активной проводимости емкостных датчиков в электрический сигнал с помощью автогенераторов с термисторным мостом. // Приборы и техника эксперимента. -2002.-№3.-С. 54-56.

59. Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н. Автогенераторные преобразователи емкости с термисторным мостом в измерительной цепи. // Приборы и техника эксперимента.-2003.-№ 5. С. 79-81.

60. Парусов В.П., Шаруев Н.К., Шаруев В.Н, Улыбин А.Н. Особенности измерения емкости датчика с большими потерями. // Измерительная техника. 2002. - № 8. -С. 60-62.

61. Парусов В.П. и др. Автогенераторный преобразователь емкости с коррекцией в цепи обратной связи. // Приборы и техника эксперимента. 2003. - № 5. - С. 8284.

62. Хантли (L.E. Huntley), Джонс (R.N. Jones). Измерение полных сопротивлений в цепях с сосредоточенными параметрами. // Труды института инженеров по электронике и радиоэлектронике (ТИИЭР). 1967. -№ 6. - С. 185-197.

63. Басси (Н.Е. Bussey). Измерение ВЧ-свойств материалов. Обзор. // ТИИЭР. 1967.- 55.-№6.-С. 344-352.

64. Hartshorn L., Ward W.H., Sharp В.А., and О 'Kane B.J. Влияние электродов на измерение проницаемости и коэффициента мощности на образцах изолирующих материалов листовой формы. // Journal IEE, vol. 75, p. 730 (1934).

65. Бандзеладзе А.Е., Щукин А.И. Электронный влагомер для угля типа ПВУК-1. // Уголь. 1961. - № 9. - С. 34-35.

66. Климкович В.И. II Измерительная техника. 1974. - № 8.

67. Михайленко А.А. II Измерительная техника. 1974. - №8.

68. Сус А.Н., Гангнус В. С. II Измерительная техника. 1969. - №2.

69. Hartshorn L. and Ward W.H. The measurement of the permittivity and the power fac1. А оtor of dielectrics at frequencies from 10 to 10 cycles per second. // J.IEE (London), 79, pp. 597-609, November 1936.

70. Какимото Акира. Способ измерения относительной диэлектрической проницаемости и тангеса угла диэлектрических потерь образцов. // Заявка № 62-53789 МКИ 4 01 27/26 от 25.06.76.

71. Barrie I.T. Measurement of very low dielectric losses at radio frequencies. // Proc. IEE.- 1965. 112. - (2). - pp. 408-415.

72. Какимото (A.Kahimoto), Ouiu (M. Ochi), Мацусита (T.Matsuhita). Точный метод измерения диэлектрических свойств в метровом диапазоне. // Приборы для научных исследований. 1975.-№10. - С. 31-36.

73. Hill G. J. Automated dielectric measurements using resonance substitution techniques. // "Euromeas-77. Eur. Conf. Precise Elect. Meas., Univ. Sussex, 1977". London, 1977, 161-163 (англ.).7677,78