СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОДУКТА
METHOD OF DETERMINING DIELECTRIC CONSTANT OF DIELECTRIC PRODUCT

Изобретение относится к области бесконтактного определения диэлектрической постоянной различных продуктов и может быть использовано при создании устройств, например, для определения качества нефтепродуктов или содержания этилового спирта в спиртосодержащих растворах при их производстве, хранении, раздаче, транспортировании и экспресс-анализе.
Изобретение основано на изменении электрической емкости конденсатора при помещении между его обкладками исследуемого диэлектрического продукта.
Использование диэлькометрического способа широко известно. Так, в патенте США № 5261270 от 15.04.1991 г. диэлькометрический метод используется для определения качества топлива для двигателей. В патенте США № 5367264 от 22.11.1994 г., класс США 324/674, предложен способ измерения количества алкоголя, содержащегося в растворе. По этому способу измерительная цепь содержит емкостной датчик, показания которого зависят от процентного содержания алкоголя в растворе, а измерение ведут на трех частотах с получением трех напряжений, по которым вычисляют количество алкоголя в растворе.
Наиболее близким аналогом может служить способ бесконтактного измерения диэлектрической постоянной диэлектрического вещества по заявке № 96103368 от 16.04.1992 г., МПК G01R 27/26 и МПК G01F 23/26. В этом способе на измерительный емкостной датчик подают высокочастотный сигнал заданного напряжения и определяют диэлектрическую постоянную по величине тока в емкостном датчике.
Во всех упомянутых способах точность измерения диэлектрической постоянной определяется не только точностью емкостного датчика, но и точностью других приборов, участвующих в получении конечного значения диэлектрической постоянной исследуемого продукта. Так, в упомянутом способе по заявке № 96103368 необходимы высокостабильные по напряжению и частоте генераторы синусоидального напряжения и высокоточный измеритель высокочастотного переменного тока, т.к. их точность напрямую входит в точность измерения диэлектрической постоянной исследуемого продукта.
Кроме того, на точность измерения существенно влияет температура измеряемого продукта. Так, для измерения объемного содержания алкоголя в спиртосодержащих продуктах с точностью 0,1% требуется температурная коррекция с точностью измерения температуры в сотые доли градуса Цельсия.
Целью предлагаемого способа является уменьшение влияния стабильности измерительных устройств и температуры на точность измерения диэлектрической постоянной исследуемого продукта.
В основу способа положено изменение периода собственных колебаний электрического контура с ударным возбуждением, образованного индуктивностью и емкостным датчиком с исследуемым продуктом, относительно периода собственных колебаний электрического контура, образованного индуктивностью и емкостным датчиком с эталонным продуктом. По полученному отношению периодов колебаний определяется диэлектрическая постоянная продукта, причем диэлектрическая постоянная пропорциональна квадрату упомянутого выше отношения. Для достижения максимального эффекта применения предлагаемого способа эталонный продукт должен быть той же категории, что и исследуемый продукт: для бензинов - бензин, для спиртосодержащих продуктов - спиртовые растворы и т.п.
Способ характеризуется следующими операциями:
- к индуктивности, являющейся элементом контура, попеременно подключают два емкостных датчика: один с исследуемым продуктом, другой - с эталонным;
- контур возбуждают короткими электрическими импульсами, длительность которых менее четверти минимального измеряемого периода, а период их следования более двух максимальных измеряемых периодов;
- измеряют периоды Т, свободных колебаний электрических контуров: с емкостным датчиком, содержащим эталонный продукт, и емкостным датчиком, содержащим исследуемый продукт;
1
2
1
2
- раздельно измеряют амплитуды положительной и отрицательной полуволн в одном периоде свободных колебаний упомянутых контуров и по измеренным амплитудам A и А (A больше А) уточняют периоды колебаний «идеального» контура Т - контура без потерь - по формуле:
- вычисляют отношение уточненного периода колебаний контура с емкостным датчиком, содержащим исследуемый продукт, к уточненному периоду колебаний контура с емкостным датчиком, содержащим эталонный продукт;
- по квадрату вышеупомянутого отношения определяют диэлектрическую постоянную исследуемого продукта.
э
и
На фиг.1 показана структурная схема, поясняющая способ в соответствии с изобретением. Обозначения на фиг.1: 1 - емкостной датчик С с эталонным продуктом, 2 - емкостной датчик С с исследуемым продуктом, 3 - коммутирующее устройство, 4 - индуктивность L, 5 - обмотка связи ОС, 6 - генератор импульсов возбуждения контура, 7 - усилитель сигналов с обмотки связи, 8 - процессор, 9 - регистрирующее устройство (дисплей, компьютер с монитором и т.п.).
На фиг.2 приведены эпюры возбуждающих импульсов, выдаваемых генератором импульсов, и вид свободных колебаний контура, вызванных этими импульсами.
Сущность изобретения поясняется следующим описанием.
Емкостной датчик 1 с эталонным продуктом и емкостной датчик 2 с исследуемым продуктом с помощью коммутирующего устройства 3 попеременно подключают к индуктивности 4 (фиг.1). При этом образуется колебательный контур, период колебаний которого должен быть измерен.
Индуктивность 4 и обмотка связи 5 образуют высокочастотный трансформатор, который с одной стороны развязывает контур и измерительную схему по постоянному току, с другой стороны - уменьшает влияние нагрузки на контур в квадрат коэффициента трансформации (отношение числа витков индуктивности 4 к числу витков обратной связи 5).
Контур возбуждают электрическими импульсами с генератора импульсов 6. Длительность импульсов возбуждения должна быть не более одной четвертой минимального измеряемого периода, а период их следования должен быть не менее двух измеряемых периодов колебания контура.
Усилитель 7 согласует выходные сигналы контура с измерительной схемой, т.к. амплитуда электрических колебаний контура должна соответствовать требуемым значениям для измерительной схемы, выполненной на базе процессора.
Процессор 8 выполняет измерение периодов колебаний контура, уточняет эти периоды, вычисляет диэлектрическую постоянную и управляет коммутирующим устройством.
Регистрирующее устройство 9 отображает полученное значение диэлектрической постоянной продукта.
Измеряют периоды свободных колебаний контура с датчиком 1 и с датчиком 2.
Период колебаний контура зависит от значения электрической емкости датчика 1 или 2, величина которого в свою очередь зависит от диэлектрической постоянной продукта, помещаемого между обкладками соответствующего емкостного датчика. Эта зависимость периода колебаний электрического контура позволяет определить диэлектрическую постоянную исследуемого продукта.
Свободные колебания контура носят затухающий характер (фиг.2). Показано (Справочник по радиоэлектронике, том 1, изд. «Энергия», М., 1967 г., стр.169), что период свободных колебаний в контуре зависит не только от реактивных элементов контура: индуктивности и емкости, но и от активных энергетических потерь в контуре (потери на активном сопротивлении катушки индуктивности, на исследуемом продукте) и меняется в широких пределах в зависимости от исследуемого продукта.
Для исключения влияния параметров контура и параметров исследуемого продукта на измерение диэлектрической постоянной исследуемого продукта уточняют период колебаний Т «идеального» контура (контура без энергетических потерь) в соответствии с приведенной выше формулой.
1
2
Знаменатель в приведенной формуле характеризует энергетические потери. Чем больше отношение амплитуд ближайших полуволн в колебательном контуре, тем больше разность между измеренным и «идеальным» периодами колебаний. Если энергетические потери отсутствуют, то логарифм отношения амплитуд А и А становится равным нулю, а измеренный период становится равным «идеальному» (Т=Ti).
1
2
Процессор 8 измеряет период свободных колебаний Ti и амплитуды отрицательной A и положительной А полуволн колебаний контура и вычисляет уточненные периоды в соответствии с вышеприведенной формулой.
Далее находят отношение уточненного периода колебаний исследуемого продукта Tu к уточненному периоду колебаний эталонного продукта Тэ. Диэлектрическая постоянная исследуемого продукта пропорциональна квадрату этого отношения.
В общем случае для конкретных устройств, построенных с использованием предлагаемого способа, диэлектрическую постоянную исследуемого продукта находят по формуле:
1
э
u
э
2
2
ε=K·ε(T/T)-K;
где ε - диэлектрическая постоянная исследуемого продукта,
э
ε- диэлектрическая постоянная эталонного продукта,
u
Т- уточненный период колебаний контура с исследуемым продуктом,
э
Т - уточненный период колебаний контура с эталонным продуктом,
1
2
К и К - константы, присущие конкретному устройству.
1
2
Константы К и К зависят от значения индуктивности, параметров емкостных датчиков и конкретной электрической схемы и могут быть определены по эталонным продуктам - продуктам с известной диэлектрической постоянной. Эталонными продуктами могут быть, например, титрованные растворы этилового спирта в дистиллированной воде.
Вычисления проводят с помощью процессора 8, а результат выводят на регистрирующее устройство 9. В качестве регистрирующего устройства могут быть использованы цифровые индикаторы, дисплеи, компьютеры и т.п.