Способ измерения физических параметров материала

Авторы патента:

G01R27/26 - для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных

Владельцы патента RU 2571301:

Сизиков Олег Креонидович (RU)

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материала. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, заполняемого контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен в виде короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии. Измерения напряжения выполняют одновременно в двух точках: непосредственно на входе преобразователя и на резисторе, включенном между генератором и преобразователем. Генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами. На каждом шаге вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента и по минимуму этого отношения определяют частоты гармоник при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении его контролируемым материалом. По значениям частот нескольких гармоник вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала. Мнимую составляющую показателя преломления вычисляют по величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе резистора. Далее определяют влажность и другие физические параметры, влияющие на показатель преломления. Технический результат заключается в повышении точности измерений и расширении функциональных возможностей. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материалов. Техническое решение может быть также применено для контроля концентрации смеси веществ, плотности и других физических параметров, влияющих на диэлектрическую проницаемость.

Известен способ измерения физических параметров материала (Патент RU 2365903, опубл. 27.08.2009), при котором в измерительной длинной линии с оконечным первичным преобразователем, содержащим контролируемый материал, возбуждают с помощью генератора электромагнитные волны и принимают волны, отраженные от входа первичного преобразователя, измеряют их мощность относительно мощности падающих волн, а также измеряют температуру контролируемого материала, генератор перестраивают в диапазоне частот, при перестройке определяют значение экстремума относительной мощности отраженных волн и соответствующей ему частоты для контролируемого материала, сопоставляют эти значения с совокупностью значений экстремума и его частоты, измеренных для материала с известными параметрами, и по полученным результатам судят о физических параметрах контролируемого материала.

Как отмечено в описании к указанному патенту (RU 2365903), первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии. На конце этот отрезок выполнен короткозамкнутым, а на его входе имеется стык с измерительной линией, благодаря чему преобразователь является резонатором. Добротность резонатора зависит от диэлектрических потерь в контролируемом материале и от коэффициента связи резонатора с измерительной линией. Для материалов с большими диэлектрическими потерями добротность резонатора низкая и резонанс выражен слабо. Для контроля таких материалов приходится увеличивать коэффициент связи преобразователя с измерительной линией, но в этом случае первичный преобразователь теряет свойства резонатора и частота экстремума сдвигается относительно резонансной частоты, при которой на длине преобразователя «укладывается» целое число полуволн. Экстремум (минимум) мощности отраженных волн достигается на частоте, на которой входное сопротивление преобразователя наиболее близко к волновому сопротивлению измерительной линии. Но входное сопротивление преобразователя зависит от множества параметров: действительной составляющей показателя преломления материала, диэлектрических потерь, конструкции стыка измерительной линии с первичным преобразователем, а также от волновых сопротивлений. Поэтому по измеренному в данном способе значению частоты экстремума невозможно определить показатель преломления непосредственно. Измерения производят путем сопоставления результатов измерения с градуировочными характеристиками устройства измерения - совокупностью значений экстремума и его частоты, измеренных в этом же устройстве для эталонного материала с известными параметрами.

Из-за указанных факторов данный способ измерения физических параметров материалов, обладающих диэлектрическими потерями, имеет низкую точность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения физических параметров материала (Патент US 7944220, опубл. 17.05.2011), при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного преобразователя включены сенсорный элемент, имеющий активное сопротивление, и согласующий элемент, имеющий комплексное сопротивление. Напряжения зондирующего сигнала измеряют с помощью двух или трех детекторов, один из которых включен в точке между генератором и сенсорным элементом на входе этого элемента, второй детектор включен на входе первичного преобразователя, третий детектор включен между сенсорным элементом и согласующим элементом. Измерения напряжений выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя эталонным материалом с известными параметрами и при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом.

В данном способе измерения выполняют на фиксированной частоте зондирующего сигнала. Заполняют первичный преобразователь эталонным материалом и подстраивают комплексное сопротивление согласующего элемента так, чтобы напряжение на входе согласующего элемента было близко к минимуму. Затем заполняют преобразователь контролируемым материалом и по изменению напряжения на входе согласующего элемента судят о влажности материала. Измерения по данному способу возможны только в узком динамическом диапазоне измеряемых параметров, при которых уход частоты минимума не превышает ширины амплитудно-частотной характеристики. Недостатком данного способа также является и необходимость подстройки согласующего элемента. Так как точность измерения амплитуды высокочастотных сигналов по сравнению с точностью измерения частоты сравнительно низкая, то точность измерения физических параметров материала по этому способу также снижена.

Устройство измерения, реализующее данный способ, должно быть отградуировано на эталонных образцах материала с известными параметрами. Данный способ, как и предыдущий, позволяет определить показатель преломления материала только путем сравнения с результатами измерений эталонных материалов.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерений физических параметров материала и расширение функциональных возможностей, в том числе:

- расширение динамического диапазона измеряемых параметров, обеспечение измерения влажности (массовой доли влаги) во всем диапазоне от 0 до 100%;

- обеспечение измерения материалов с высокими диэлектрическими потерями, в том числе обладающих проводимостью, при сохранении точности;

- обеспечение измерения показателя преломления материала прямым методом;

- исключение необходимости использования эталонных образцов материала для градуировки устройства, реализующего указанный способ.

Поставленная цель в предлагаемом способе измерения физических параметров материала, при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного преобразователя включен элемент, имеющий активное сопротивление, а напряжения зондирующего сигнала измеряют с помощью двух детекторов, один из которых включен в точке между генератором и элементом на входе элемента, а второй включен непосредственно на входе первичного преобразователя, достигается тем, что

генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента и по минимальным значениям указанных отношений определяют частоты гармоник, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума. Измерения частот указанных гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен короткозамкнутым на конце. По полученным в результате указанных измерений значениям частот гармоник определяют физические параметры материала.

Необходимо отметить, что частоту гармоники определяют по минимуму отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, так как указанное отношение достигает минимума при минимальном значении входного сопротивления первичного преобразователя.

Измерения выполняют по шагам на дискретных частотах, результаты измерений запоминают, это позволяет выделить частоты, расположенные вокруг частоты гармоники, на которых значения отношения напряжений одинаковы. Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе частоту гармоники определяют путем вычисления среднего значения двух частот, характеризующихся тем, что значения отношения напряжений на этих частотах равны, одна из этих частот находится ниже частоты гармоники, а вторая частота превышает частоту гармоники.

Другой вариант нахождения частоты гармоники состоит в том, что по измеренным отношениям напряжений для дискретных частот формируют аппроксимирующую математическую функцию и значение частоты гармоники определяют путем вычисления минимума этой функции. Этот вариант нахождения частоты гармоники позволяет уменьшить количество дискретных частот, на которых выполняют измерения, за счет увеличения шага перестройки частоты, и тем самым сократить время измерения.

При использовании аппроксимирующей функции поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе определяют отношения напряжений для дискретных частот путем многократных измерений отношения отдельно на каждой из этих частот и их усреднения по времени. Усреднение измеренных отношений позволяет исключить влияние на результаты измерений импульсных помех, вызванных, например, прохождением лопаток вблизи первичного преобразователя при измерении в бетоносмесителе.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе определяют действительную составляющую показателя преломления материала по значениям частот не менее чем двух гармоник, измеренных при заполнении первичного преобразователя поочередно контролируемым материалом и воздухом. По величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, измеренных при заполнении преобразователя материалом, и сопротивлению элемента вычисляют мнимую составляющую показателя преломления материала. Причем для определения мнимой составляющей измерения выполняют на частоте нижней, но ненулевой гармоники, например на частоте первой гармоники.

Значение действительной составляющей показателя преломления материала определяют прямым методом - непосредственно по измеренным частотам без необходимости градуировки устройства, реализующего способ. По результатам измерения показателя преломления вычисляют диэлектрическую проницаемость материала или другие физические параметры, связанные с показателем преломления. Для нахождения влажности кроме показателя преломления измеряют также температуру материала. Определяют влажность на основе таблиц или соотношений, составленных для каждого вида материала и представляющих собой зависимости действительной составляющей показателя преломления материала от его влажности при разных температурах. Отметим, что устройство измерения, реализующее данный способ, не нуждается в градуировке по эталонным материалам. Для определения влажности материала необходимы лишь данные по самому материалу. Результаты измерений влажности не зависят от конструктивных особенностей устройства, например, от размеров его преобразователя.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник, при этом для каждой из гармоник, за исключением нулевой, определяют отношение ее частоты, измеренной при заполнении первичного преобразователя воздухом, к ее частоте, измеренной при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, определяют среднее значение указанных отношений и по нему вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала.

Указанное среднее значение отношений вычисляют как среднее арифметическое:

$n = (\sum_{i = 1}^{m} \frac{f_{i}^{в}}{f_{i}^{м}}) / m$ ,

где n - действительная составляющая показателя преломления материала;

m - количество измеренных гармоник;

$f_{i}^{в}$ , $f_{i}^{м}$ - частоты гармоники с номером i≠0 при заполнении первичного преобразователя, соответственно, воздухом и контролируемым материалом.

Указанное среднее значение отношений также может быть вычислено как среднее геометрическое:

$n = {(\prod_{i = 1}^{m} \frac{f_{i}^{в}}{f_{i}^{м}})}^{\frac{1}{m}}$ .

Указанное среднее значение отношений также может быть вычислено как среднее квадратическое:

$n = \sqrt{[\sum_{i = 1}^{m} {(\frac{f_{i}^{в}}{f_{i}^{м}})}^{2}] / m}$ .

Различия в результатах вычислений по этим выражениям, как показала экспериментальная проверка, пренебрежимо малы. Необходимо отметить, что номер гармоники i - это количество полуволн напряжения, «укладывающихся» на длине отрезка линии передачи первичного преобразователя.

Альтернативный метод определения параметров материала по результатам измерения частот нескольких гармоник основывается на вычислении разности этих частот. Действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник с помощью следующего математического выражения:

$n = \frac{f_{i}^{в} - f_{j}^{в}}{f_{i}^{м} - f_{j}^{м}}$ ,

где n - действительная составляющая показателя преломления материала;

i, j - номера гармоник, причем i≠j;

$f_{i}^{м}$ , $f_{j}^{м}$ - частоты гармоник с номерами i, j при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом;

$f_{i}^{в}$ , $f_{j}^{в}$ - частоты гармоник с номерами i, j при заполнении первичного преобразователя воздухом.

Путем вычисления разности частот уменьшают аддитивную ошибку измерения частоты каждой из гармоник. Причем если номера гармоник i, j отличаются больше, чем на единицу, то вычисления по приведенному математическому выражению эквивалентны нахождению среднего значения разностей соседних частот всех измеренных гармоник.

С увеличением числа измеряемых гармоник уменьшается погрешность определения показателя преломления. Для произвольного числа (но не меньшего двух) измеренных гармоник последнее приведенное математическое выражение принимает вид:

$n = \frac{(f_{i}^{в} - f_{j}^{в}) + (f_{i + 1}^{в} - f_{j}^{в}) + \dots + (f_{i + m}^{в} - f_{j}^{в})}{(f_{i}^{м} - f_{j}^{м}) + (f_{i + 1}^{м} - f_{j}^{м}) + \dots + (f_{i + m}^{м} - f_{j}^{м})}$ .

Мнимую составляющую показателя преломления материала вычисляют с помощью следующего математического выражения:

$k ≅ [\frac{U_{п п}^{м}}{U_{э л}^{м} - U_{п п}^{м}} \times R_{э л}] \times \frac{n^{2}}{π ρ_{0}}$ ,

где k, n - мнимая и действительная составляющие показателя преломления материала;

$U_{э л}^{м}$ , $U_{п л}^{м}$ - напряжения зондирующего сигнала на частоте первой гармоники, измеренные, соответственно, на входе элемента и на входе первичного преобразователя при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом;

R_эл - омическое сопротивление элемента;

π - число 3,14159…;

ρ₀ - волновое сопротивление отрезка длинной линии первичного преобразователя, заполненного воздухом.

Отметим, что выражение в квадратных скобках представляет собой входное сопротивление R_вх первичного преобразователя на частоте гармоники:

$R_{в х} = \frac{U_{п п}^{м}}{U_{э л}^{м} - U_{п п}^{м}} \times R_{э л}$ .

По действительной n и мнимой k составляющим показателя преломления материала вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость - ее действительную ε′ и мнимую ε″ составляющие - с помощью следующих математических выражений:

ε′=n²-k²,

ε″=2nk.

Особенность предлагаемого способа состоит в том, что измерение амплитуд сигналов заменено измерением частот, что повышает точность измерений.

Вторая особенность: измерение частот выполняют при минимуме входного сопротивления и определяют этот минимум путем измерения напряжения непосредственно на входе преобразователя. Такое решение практически полностью исключает влияние на результаты измерения конструкции стыка и паразитных реактивностей на входе первичного преобразователя. Последнее утверждение хотелось бы выделить: так как измерения производятся при минимуме входного сопротивления, то низкое входное сопротивление шунтирует паразитные реактивности, вносимые в точку измерения конструкцией стыка и элементами тракта. Указанное шунтирование обуславливает достижение высокой точности измерений.

На измеряемые по данному способу частоты гармоник не влияют величины волнового сопротивления первичного преобразователя и подводящей сигнал линии передачи (кабеля).

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что при измерении определяют частоты нескольких гармоник. Это также обеспечивает преимущество предлагаемого способа перед известными. Измерение частот нескольких гармоник, как показали результаты экспериментов, позволяет скомпенсировать ошибки, получаемые при измерении каждой из гармоник в отдельности и вызванные, например, неоднородным заполнением первичного преобразователя или неоднородным распределением влажности по объему преобразователя. Необходимая в большинстве практических случаев точность достигается при использовании в вычислениях значений частот нижних двух-трех гармоник.

Особенностью предлагаемого способа также является измерение комплексного показателя преломления, то есть определяют не только действительную, но и мнимую составляющие этого параметра.

Существенным признаком способа является выполнение измерений посредством первичного преобразователя с короткозамкнутыми на конце проводниками. В таком преобразователе устранено влияние на измерения паразитной емкости на конце линии передачи, характерное для преобразователей с разомкнутыми проводниками. Благодаря замыканию обеспечивается возможность определения действительной составляющей показателя преломления непосредственно, без градуировки на эталонных материалах устройства, реализующего данный способ.

Также существенным признаком способа является выполнение измерений по шагам путем перебора дискретных частот. Это решение позволяет по завершении цикла перестройки произвести математическую обработку результатов измерений и повысить точность измерения частот гармоник. Для уменьшения времени измерений число дискретных частот должно быть уменьшено, в этом случае для сохранения точности частоту гармоники определяют по минимуму аппроксимирующей функции. Для частной задачи, например, для определения содержания воды в бетонной смеси непосредственно в работающем смесителе, измерения отношения напряжений проводят на сравнительно небольшом количестве дискретных частот, что позволяет применить усреднение результатов по времени для каждой из частот. Частоту гармоники определяют по минимуму аппроксимирующей функции, построенной по усредненным результатам измерений.

Особенностью предлагаемого способа является и вычисление отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, что необходимо для исключения влияния нестабильности амплитуды генератора. В прототипе нестабильность генератора уменьшают с помощью цепей автоматической регулировки мощности (АРМ). При измерениях в диапазоне частот инерционность АРМ резко замедляет перестройку, приводит к ошибкам. Измерение отношения устраняет этот недостаток.

На фиг.1 приведена схема измерительного устройства, реализующего предлагаемый способ. Здесь введены обозначения:

1 - генератор зондирующего сигнала, перестраиваемый в диапазоне частот;

2 - первичный преобразователь (зонд), выполненный в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками, причем отрезок длинной линии, образующий первичный преобразователь, выполнен короткозамкнутым на конце (его проводники на конце соединены между собой так, что в месте их соединения образован электрический контакт);

3 - элемент, имеющий активное сопротивление и включенный между генератором 1 и первичным преобразователем 2;

4, 5 - первый и второй детекторы, предназначенные для измерения напряжения зондирующего сигнала, причем первый детектор 4 включен в точке между генератором 1 и элементом 3 на входе этого элемента, а второй детектор 5 включен непосредственно на входе первичного преобразователя 2.

6 - устройство измерения;

7 - устройство управления частотой генератора.

На фиг.2 приведен график зависимости отношения напряжения U_пп на входе преобразователя 2 к напряжению U_эл на входе элемента 3 в зависимости от частоты генератора 1. Значения частот гармоник, на которых указанное отношение достигает минимума при измерениях в воздухе и в материале, отмечены, соответственно, через $f_{i}^{в}$ и $f_{i}^{м}$ .

На фиг.3 показан график периодической перестройки частоты f генератора 1 во времени t с периодом T.

На фиг.4 проиллюстрирован метод нахождения значения частоты гармоники f_i как среднего значения от частот f_a и f_b, характеризующихся тем, что значения отношения U_пп/U_эл напряжений на этих частотах равны, частота f_a - ниже частоты гармоники f_i, а частота f_b - выше ее.

На фиг.5 проиллюстрирован метод нахождения значения частоты гармоники f_i по минимуму аппроксимирующей функции, построенной по результатам измерений на четырех дискретных частотах: f_a, f_b, f_c, f_d.

Измерительное устройство, реализующее предложенный способ, работает следующим образом. Генератор 1 с помощью устройства управления 7 периодически перестраивают в диапазоне рабочих частот дискретными шагами Δt с периодом T. Сформированный генератором 1 зондирующий сигнал подают в первичный преобразователь 2 через элемент 3, имеющий активное сопротивление R_эл. В качестве элемента 3 может быть использован безындуктивный резистор, например, типа С2-10. В точке между генератором 1 и элементом 3 на входе элемента измеряют напряжение U_эл с помощью включенного в эту точку детектора 4. Вторым детектором 5, подключенным непосредственно к входу первичного преобразователя 2, измеряют напряжение U_пп на входе преобразователя. Детекторы 4, 5 преобразуют высокочастотные сигналы в низкочастотные и могут быть выполнены на основе полупроводниковых диодов. Сигналы детекторов 4, 5 подают в устройство измерения 6, где производится вычисление отношения напряжений U_пп/U_эл. На каждом шаге Δt полученное значение отношения запоминают в процессоре устройства измерения 6, одновременно в память процессора заносят значение частоты для этого шага. По завершении цикла перестройки выполняют математическую обработку результатов измерений, получают полную частотную характеристику входного сопротивления первичного преобразователя в диапазоне частот. Определяют частоты, на которых отношение U_пп/U_эл достигает минимума и, соответственно, достигает минимума входное сопротивление первичного преобразователя 2.

Найденные частоты являются частотами гармоник f_i, причем номер гармоники i равен количеству полуволн, «укладывающихся» на длине преобразователя 2. Измерения частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя 2 воздухом и при заполнении первичного преобразователя 2 контролируемым материалом, причем измеряют не менее двух гармоник.

Измерения частот гармоник $f_{i}^{в}$ при воздушном заполнении преобразователя 2 достаточно выполнить один раз при изготовлении прибора и эти данные занести в память процессора устройства измерения 6. При эксплуатации прибора повторное измерение при воздушном заполнении преобразователя может потребоваться только для метрологической поверки.

Действительную составляющую n показателя преломления вычисляют по измеренным частотам гармоник на основании приведенных выше математических выражений. Параметр n в технической литературе также называют коэффициентом замедления или коэффициентом укорочения длины волны.

Мнимую составляющую k показателя преломления определяют при заполнении преобразователя 2 контролируемым материалом по величине отношения U_пп/U_эл на частоте гармоники и известной величине сопротивления R_эл элемента 3. Математическое выражение для вычисления мнимой составляющей k по результатам измерений первой гармоники приведено выше. По величине k вычисляют тангенс диэлектрических потерь.

По измеренным значениям k, n и температуре материала определяют его влажность или другие физические параметры, влияющие на коэффициент преломления, например, концентрацию смеси веществ, плотность.

Необходимо отметить, что для определения физических параметров материала по значению его показателя преломления достаточно иметь характеристики самого материала, градуировка устройства измерения не производится. Замена одного устройства, реализующего данный способ, на другое устройство с иными геометрическими и конструктивными параметрами, но реализующее тот же способ, не приводит к необходимости градуировки.

Рассмотрим критерии выбора диапазона частот перестройки генератора 1 и величины сопротивления элемента 3.

Для измерения влажности верхняя частота диапазона не должна превышать 1…2 ГГц, в этом случае действительная составляющая показателя преломления пленочной и капиллярной воды не зависит от частоты зондирующего сигнала (см., например, описание к патенту RU 2467314, опубл. 20.11.2012). Нижняя частота диапазона определяется длиной первичного преобразователя и максимальным значением показателя преломления контролируемого материала. Например, для первичного преобразователя длиной 250 мм перестройка генератора 1 должна производиться в полосе частот, примерно, от 100 МГц до 620 МГц. Здесь нижняя граница полосы перестройки определена для случая увеличения коэффициента замедления до 5…6.

Величина сопротивления R_эл элемента 3 выбирается исходя из того, что слишком малое его значение ухудшит чувствительность нахождения минимума, а чрезмерно большое - приведет к потере в точности измерения сигнала в минимуме. В опытных образцах измерителя влажности оптимальные результаты получены с номиналом резистора в пределах 20…51 Ом.

Испытания образцов влагомера, реализующего предложенный способ, производились на речном песке, карбонатном щебне, гранитном гравии, а также водомазутной эмульсии. Для измерения влажности использовался первичный преобразователь, имеющий длину 250 мм. Для этого первичного преобразователя при заполнении его воздухом частоты первой и второй гармоник составляли 600 МГц и 1200 МГц. При заполнении первичного преобразователя песком с влажностью от 0 до 16,5% (по массе) частоты гармоник снижались, соответственно, до 150 МГц и 300 МГц, причем показатели преломления обеих гармоник сохранялись одинаковыми с высокой точностью, а погрешности их измерения компенсировались путем вычисления среднего значения от указанных параметров.

Проведенные испытания подтвердили эффективность предлагаемого технического решения.

1. Способ измерения физических параметров материала, при котором измеряют напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, выполненного в виде отрезка длинной линии с не менее чем двумя проводниками и заполняемого контролируемым материалом, причем зондирующий сигнал формируется генератором, между генератором и входом первичного преобразователя включен элемент, имеющий активное сопротивление, а напряжения зондирующего сигнала измеряют с помощью двух детекторов, один из которых включен в точке между генератором и указанным элементом на входе элемента, а второй включен непосредственно на входе первичного преобразователя,
отличающийся тем, что
генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки вычисляют отношение напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента и по минимальным значениям указанных отношений определяют частоты гармоник, характеризующихся тем, что на частоте гармоники входное сопротивление первичного преобразователя достигает минимума, измерения указанных частот гармоник выполняют поочередно при заполнении первичного преобразователя воздухом и при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен короткозамкнутым на конце, по полученным в результате указанных измерений значениям частот гармоник определяют физические параметры материала.

2. Способ измерения физических параметров материала по п.1, отличающийся тем, что частоту гармоники определяют путем вычисления среднего значения двух частот, характеризующихся тем, что значения отношения напряжений на этих частотах равны, одна из этих частот находится ниже частоты гармоники, а вторая частота превышает частоту гармоники.

3. Способ измерения физических параметров материала по п.1, отличающийся тем, что по измеренным отношениям напряжений для дискретных частот формируют аппроксимирующую математическую функцию и значение частоты гармоники определяют путем вычисления минимума этой функции.

4. Способ измерения физических параметров материала по п.3, отличающийся тем, что определяют отношения напряжений для дискретных частот путем многократных измерений отношений отдельно на каждой из этих частот и их усреднения по времени.

5. Способ измерения физических параметров материала по одному (любому) из пп.1-4, отличающийся тем, что по значениям частот не менее чем двух гармоник определяют действительную составляющую показателя преломления материала, а по величине отношения напряжения на входе первичного преобразователя к напряжению на входе элемента, измеренных на частоте первой гармоники при заполнении преобразователя материалом, и сопротивлению элемента вычисляют мнимую составляющую показателя преломления материала, измеряют температуру материала и по этим данным определяют влажность или другие физические параметры материала.

6. Способ измерения физических параметров материала по одному (любому) из пп.1-4, отличающийся тем, что действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник, при этом для каждой из гармоник определяют отношение ее частоты, измеренной при заполнении первичного преобразователя воздухом, к ее частоте, измеренной при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом, определяют среднее значение указанных отношений по измеренным гармоникам и по нему вычисляют действительную составляющую показателя преломления материала с помощью следующих математических выражений:
,
или
,
или
,
где n - действительная составляющая показателя преломления материала;
m - количество измеренных гармоник;
, - частоты гармоники с номером i≠0 при заполнении первичного преобразователя, соответственно, воздухом и контролируемым материалом.

7. Способ измерения физических параметров материала по одному (любому) из пп.1-4, отличающийся тем, что действительную составляющую показателя преломления материала определяют по значениям частот не менее чем двух гармоник с помощью следующего математического выражения:
,
где n - действительная составляющая показателя преломления материала;
i, j - номера гармоник, причем i≠j;
, - частоты гармоник с номерами i, j при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом;
, - частоты гармоник с номерами i, j при заполнении первичного преобразователя воздухом.

Изобретение относится к области сварочного производства. Представленные устройство и способ могут быть использованы для определения во время процесса сварки индуктивности сварочного кабеля на основе измерения размаха пульсации напряжения на выходных сварочных клеммах при переключении силовых полупроводниковых переключателей.

Система емкостного измерения // 2552878

Группа изобретений относится к медицине и может быть использована для емкостного измерения физического движения в пациенте, который содержит изменяющиеся во времени статические заряды.

Свч-способ определения диэлектрической проницаемости и толщины покрытий на металле // 2552106

Предложен способ определения диэлектрической проницаемости и толщины твердых образцов на металле. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины и диэлектрической проницаемости материала на металле.

Способ измерения диэлектрической проницаемости материалов и устройство для его осуществления // 2548064

Изобретение относится к области измерения характеристик материалов и может быть использовано для определения диэлектрической проницаемости изоляционных композитных и других материалов.

Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя // 2546827

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния межвитковой изоляции обмотки асинхронного или синхронного двигателя.

Способ измерения резонансной частоты // 2541119

Изобретение относится к измерительной технике. В частности, оно может быть использовано в радиочастотных резонансных датчиках.

Устройство для измерения параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах // 2539125

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нормальной температуре. Устройство содержит волновод СВЧ, резонатор с цилиндрической частью, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны короткозамыкающим поршнем с возможностью осевого перемещения внутри резонатора, механизм перемещения поршня и блок радиоизмерительного оборудования.

Устройство для измерения параметров диэлектриков при нагреве // 2539124

Изобретение относится к технике измерения диэлектриков методом объемного резонатора при нагреве в диапазоне температур до 2000°C. Устройство содержит цилиндрический резонатор, ограниченный с одной стороны торцевой стенкой волновода СВЧ, а с другой стороны подвижным поршнем со штоком, загрузочное окно для установки образца исследуемого материала, измеритель температуры, подвод защитного газа, механизм перемещения поршня со штоком.

Накопительный измеритель параметров диссипативных cg-двухполюсников // 2536333

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей.

Резонансное устройство для ближнеполевого свч-контроля параметров материалов // 2529417

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано для измерения электрофизических параметров материалов. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности до порядка 1 микрометра, а также повышении чувствительности до уровня, достаточного для определения параметров материалов с диэлектрической проницаемостью в диапазоне 1.5÷400 и проводимостью в диапазоне 2·10-2 Oм-1·м-1÷107 Ом-1·м-1.Заявленное устройство содержит СВЧ-генератор с подключенным к нему прямоугольным волноводом, имеющим измерительное устройство с волноводной резонансной системой в качестве оконечного устройства, причем оконечное устройство содержит емкостную металлическую диафрагму, согласно решению на емкостную металлическую диафрагму наложен плоскопараллельный образец диэлектрика с площадью, равной площади фланца волновода, а на образец диэлектрика наложен зонд в виде металлической проволоки с длиной от 12 до 20 мм и диаметром от 0,1 до 0,5 мм с заостренным концом, изогнутым под прямым углом, отрезок зонда большей длины расположен на диэлектрической пластине перпендикулярно щели в диафрагме, отрезок зонда с заостренным концом меньшей длины перпендикулярен плоскости образца диэлектрика, при этом толщина плоскопараллельного образца диэлектрика t выбрана из условия t ε 〈 〈 λ в , где λв - длина волны основного типа в волноводе, ε - диэлектрическая проницаемость пластины.

Устройство для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов // 2575468

Использование: для определения комплексной диэлектрической проницаемости материалов с помощью электромагнитных волн. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит отрезок металлической волноводной линии передачи, плоскопараллельную пластину и дополнительно введены второй отрезок металлической волноводной линии передачи, снабженный фланцами с обоих концов, одинакового внутреннего поперечного сечения с первым отрезком металлической волноводной линии передачи, варакторный диод, внутренняя часть второго отрезка металлической волноводной линии передачи заполнена диэлектриком, плоскопараллельная пластина выполнена из металла и снабжена окном с размерами, равными размерам внутреннего поперечного сечения отрезка металлической волноводной линии передачи, металлические выводы варакторного диода и плоскопараллельная пластина разделены изолятором, плоскопараллельная пластина и фланец одного конца второго отрезка металлической волноводной линии передачи соединены между собой механически, длина второго отрезка металлической волноводной линии передачи кратна половине длины электромагнитной волны во втором отрезке металлической волноводной линии передачи с диэлектриком. Технический результат: обеспечение возможности увеличения точности определения комплексной диэлектрической проницаемости и определения одновременно действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости. 3 ил., 1 табл.

Способ и устройство измерения физических параметров материала // 2576552

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе и при экстремальных температурах. Способ включает в себя измерение напряжения зондирующего сигнала во входной цепи первичного преобразователя, заполняемого контролируемым материалом, причем первичный преобразователь выполнен в виде отрезка длинной линии. Измерения напряжения выполняют дистанционно, для чего между входом амплитудного детектора и входом первичного преобразователя включают первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн. Подачу зондирующего сигнала с выхода генератора на вход первичного преобразователя производят через включенный между ними второй дополнительный отрезок линии передачи. Генератор перестраивают в диапазоне частот и определяют частоты гармоник при заполнении первичного преобразователя контролируемым материалом и воздухом. По значениям указанных частот определяют влажность, состав и другие физические параметры материала, влияющие на диэлектрическую проницаемость. Технический результат заключается в обеспечении измерений при экстремальных температурах, повышение точности измерения, расширение функциональных возможностей. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ измерения электрической емкости и устройство для его осуществления // 2577803

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии, а именно к технике измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов. Согласно способу постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора Сx и генератора линейно изменяющегося напряжения, а значение электрической емкости определяется по времени Δt, за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU, количеству электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока за это время (при этом фиксируется каждый электрон, проходящий по цепи воспроизведения тока), и заряду электрона, эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле: Сx=e·f·Δt/ΔU, где: е - элементарный заряд электрона; f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока; Δt - время, за которое напряжение изменяется на величину ΔU; при этом измерение электрической емкости конденсатора происходит в условиях эксплуатации конденсатора при прохождении через него воспроизводимого постоянного тока. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе (в условиях эксплуатации измеряемого конденсатора) и расширении диапазона измерения емкости в сторону меньших значений, обеспечение возможности непосредственной регистрации заряда с дискретностью электрона. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ измерения погонной емкости одножильного электрического провода // 2578658

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям погонной емкости одножильного электрического провода в процессе его производства. Способ заключается в создании гармонического электрического поля между участком поверхности изоляции провода и заземленной электропроводящей жилой посредством помещенного в воду трубчатого измерительного преобразователя, через который перемещают контролируемый провод, с измерительным и двумя обеспечивающими однородность электрического поля на его краях дополнительными защитными электродами, измерении при известных амплитуде и частоте приложенного к электродам гармонического напряжения силы тока, протекающего через измерительный электрод, и суммарной силы тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя, и определении значения погонной емкости по формуле: где Ix - сила тока, протекающего через измерительный электрод; I1 - суммарная сила тока, протекающего через все электроды измерительного преобразователя; С0(I1) и k(I1) - экспериментально определенные функции тока I1. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 4 ил.

Способы, системы и устройства для индикации и измерения напряженности электрического поля земли // 2584716

Изобретение относится к измерению потенциала земли. Способ измерения электрического потенциала земли, включающий этапы: размещения измерительной пластины в непосредственной близости от земли, но с обеспечением электрохимического разделения указанной пластины и земли при помощи барьера, причем измерительная пластина имеет оперативную емкостную связь с землей; измерения электрического потенциала земли при помощи измерительной пластины; подачи первого сигнала, представляющего потенциал, измеренный измерительной пластиной, на усилитель, содержащий по меньшей мере один каскад; и сравнения потенциала, измеренного измерительной пластиной, с опорным напряжением. Технический результат заключается в возможности измерения потенциала земли без осуществления электрохимических процессов. 5 н. и 52 з.п. ф-лы, 1 табл., 12 ил.

Влагомер - диэлькометр (варианты) // 2585255

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материалов при помощи устройства влагомер-диэлькометр, которое содержит электронный блок, измерительную ячейку и первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии, образованный металлическим прутком и металлическим основанием, при этом измерительная ячейка конструктивно совмещена с первичным преобразователем и содержит детектор, подключенный непосредственно к входу первичного преобразователя. Предложено пять вариантов выполнения первичного преобразователя. Вариант 1 - металлическое основание выполнено в виде прямоугольной рамки, вариант 2 - металлическое основание выполнено в виде полого цилиндра с продольными щелями. Первичные преобразователи указанных вариантов устанавливаются на стержень для контроля материалов в резервуаре. Для контроля проб устройство снабжено кассетой. Вариант 3 выполнен на основе кюветы с дополнительной пластиной-крышкой. В варианте 4 преобразователь выполнен в виде трубы для измерения материалов в потоке под давлением. В варианте 5 устройства внутренний проводник первичного преобразователя совмещен конструктивно с его корпусом, что позволяет встраивать первичный преобразователь в стенку трубы буровой колонны или в стенку камеры бетоносмесительного устройства. Повышение точности измерения диэлектрической проницаемости и влажности материала непосредственно в резервуарах на разных уровнях, в трубопроводах под давлением, а также в условиях жестких механических воздействий является техническим результатом изобретения. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 17 ил.

Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра // 2589762

Изобретение относится к электроизмерительной техник, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра содержит микроконтроллер 1 (МК 1), делитель напряжения 2, управляемый источник опорного напряжения 3, первый ключ 4, индикатор 5, источник постоянного напряжения 6, диагностируемую обмотку электродвигателя 7, второй ключ 8, образцовую индуктивность 9, полупроводниковый диод 10 и конденсатор 11. Второй вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя 7 и образцовой индуктивности 9, вторые выводы которых соединяются со вторым выводом второго ключа 8, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка 7, либо в «верхнем» - включаются образцовая индуктивность 9 и анод полупроводникового диода 10, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 11. Первый вывод второго ключа 8 подключен ко вторым выводам первого ключа 4 и делителя напряжения 2. Вывод управления первого ключа 4 подключен к МК 1, вход управления источника опорного напряжения 3 подключен в выходу широтно-импульсного модулятора МК 1, выход источника опорного напряжения 3 подключен к первому входу аналогового компаратора МК 1, ко второму входу аналогового компаратора МК 1 подключен средний вывод делителя напряжения 2, первый крайний вывод которого соединен с первыми выводами первого ключа 4 и источника постоянного напряжения 6, а также со второй обкладкой конденсатора 11. Индикатор 5 подключен к выходу соответствующего порта МК 1. Измеряемое сопротивление изоляции подключается к обкладкам конденсатора 11. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя за счет организации измерения сопротивления изоляции, т.е. реализации функций мегомметра. 1 ил.

Измерительный преобразователь емкость-напряжение // 2589771

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения средств измерения физических величин с помощью емкостных датчиков. Измерительный преобразователь емкость-напряжение содержит емкостный датчик, переходной конденсатор, источник опорного напряжения, генератор импульсов, масштабный преобразователь, первый двухпозиционный переключатель, первый операционный усилитель с конденсатором в цепи обратной связи, опорный конденсатор, второй операционный усилитель с накопительным конденсатором в цепи обратной связи, второй двухпозиционный переключатель. Для достижения технического результата введен усилитель, вход которого подключен к выходу первого операционного усилителя, а выход через переходной конденсатор подключен к входу второго двухпозиционного переключателя. Технический результат - повышение точности преобразования величины емкости в напряжение. 1 ил.

Система и способ реконструкции с использованием "мягкого поля" // 2590321

Использование: для оценки свойств исследуемых областей, с использованием «мягкого поля». Сущность изобретения заключается в том, что способ включает: получение информации о приложенных входных сигналах и измеренных выходных сигналах для возбуждаемого объекта с использованием множества преобразователей; формирование матрицы полной проводимости на основе упомянутой информации о приложенных входных сигналах и измеренных выходных сигналах; определение множества моментов с использованием упомянутой матрицы полной проводимости и вычисление распределения свойств возбуждаемого объекта с использованием упомянутого множества моментов. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и скорости визуализации свойств объектов. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Способ и устройство измерения электрической емкости // 2593818

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно к измерению электрической емкости. Способ измерения электрической емкости заключается в измерении отношения напряжений на последовательно соединенных эталонной и измеряемой емкостях, заряжаемых от источника постоянного напряжения. Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит измеряемую и эталонную емкости, АЦП и микропроцессор, обеспечивающий заряд и разряд емкостей, при этом дифференциальный измерительный вход АЦП соединен с выводами эталонной емкости, а дифференциальный вход опорного напряжения АЦП соединен с выводами измеряемой емкости. Технический результат заключается в повышении точности, быстродействия, улучшении линейности характеристик, а также увеличении температурной стабильности, при одновременном упрощении. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.