Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры
DEVICE FOR DOUBLE-PROBE MEASUREMENT OF PHASE SHIFTS OF DISTRIBUTED RC-STRUCTURE

Устройство двухзондового измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.
Известные устройства для измерения фазовых сдвигов распределённых RC-структур основаны на выделении отдельных гармонических сигналов одинаковой частоты и измерении временного промежутка между точками с одинаковой фазой с последующим делением на период гармонического сигнала (Например, статья Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic measurement of the phase difference between two VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, №11, pp. 62-66; книги 1) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М.: Энергия, 1972, 2) Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359; патент РФ №2244937 С1 Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце, МПК G01R 25/02, опубл. 20.01.2005, бюл. №1 и т.д.).
Для осуществления измерения фазовых сдвигов используют генератор синусоидального сигнала, управляемый в соответствии с программой нахождения искомого результата. Программа включает как различные подключения объекта измерения, так и обработку полученных результатов. Это удлиняет процесс измерения, является источником погрешностей, что, в конечном счёте удорожает и снижает точность измерения фазовых сдвигов.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство, описанное в патенте РФ №2244937, G01R 25/02, принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – генератор;
2 – измеряемое устройство (распределенная RC-структура);
3, 4 – зонды;
6 – двухзондовый фазочувствительный элемент;
7, 14 – первый и второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 – устройство сопряжения;
9 – ПЭВМ;
10 – 3-децибельный балансный делитель;
11 – фазовый модулятор;
12, 13 – первый и второй вентили;
15, 16 – первая и вторая детекторные секции.
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор 1, 3-децибельный балансный делитель 10, фазовый модулятор 11, измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13, выход которого соединен с первым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. Другой выход 3-децибельного балансного делителя 10 через первый вентиль 12 соединен со вторым входом двухзондового фазочувствительного элемента 6. При этом первый зонд 3 двухзондового фазочувствительного элемента 6 через последовательно соединенные первую детекторную секцию 15 и первый АЦП 7 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения (согласования) 8. Второй зонд 4 через последовательно соединенные вторую детекторную секцию 16 и второй АЦП 14 соединен с соответствующим входом устройства сопряжения 8, выход которого соединен с ПЭВМ 9.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Непрерывный СВЧ-сигнал от генератора 1 разделяется на два плеча с равными амплитудами в 3-децибельном балансном делителе 10. Далее сигнал от одного из плеч 3-децибельного балансного делителя 10 поступает на фазовый модулятор 11 и через измеряемое устройство 2 и второй вентиль 13 – на первый вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Сигнал от второго плеча (опорный сигнал) через первый вентиль 12 поступает на второй вход двухзондового фазочувствительного элемента 6. Далее сигналы от двухзондового фазочувствительного элемента 6 детектируются первой 15 и второй 16 детекторными секциями соответственно, преобразуются в цифровую форму в первом 6 и втором 14 аналого-цифровых преобразователях и поступают через устройство сопряжения 8 в ПЭВМ 9.
Цикл измерения состоит из двух тактов, отличающихся состоянием фазового модулятора 11 (0 или 180 градусов), в каждом из которых по команде от ПЭВМ 9 измеряются значения амплитуд сигналов от двух зондов 3 и 4 двухзондового фазочувствительного элемента 6 с последующим вычислением сдвига фаз, внесённым измеряемым устройством 2, по предложенному для данного способа выражению с регистрацией результатов в ПЭВМ 9.
Недостатками устройства-прототипа являются его сложность, большая длительность процесса измерения, низкая точность результата измерения за счёт влияния паразитных параметров зондов и переключающих устройств.
Для решения поставленной задачи в устройство измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, содержащее генератор, измеряемое устройство, фазочувствительный элемент и два зонда, а также последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), согласующее устройство и персональную ЭВМ (ПЭВМ), согласно изобретению, введен операционный усилитель, инверсный вход которого соединен с одним зондом и через первый резистор – с его выходом и сигнальным входом фазочувствительного элемента, выход которого подключен к входу АЦП, при этом выход ПЭВМ соединен с управляющим входом генератора, выход которого соединен с другим зондом и опорным входом фазочувствительного элемента, причем оба зонда подключены к распределённой RC-структуре, используемой в качестве измеряемого устройства; неинверсный вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 – генератор;
2 – распределённая RC-структура (измеряемое устройство);
3, 4 – первый и второй зонды;
5 – операционный усилитель;
6 – фазочувствительный элемент;
7 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 – согласующее устройство;
9 – персональная ЭВМ (ПЭВМ);
R1, R2 – первый и второй резисторы.
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные операционный усилитель 5 и фазочувствительный элемент 6, выход которого через последовательно соединенные АЦП 7 и согласующее устройство 8 шиной соединен с ПЭВМ 9, выход которой подключен к управляющему входу генератора 1, один выход которого соединен с общей шиной. При этом другой выход генератора 1 соединен с первым зондом 3 и опорным входом фазочувствительного элемента 6. Выход операционного усилителя 5 через первый резистор R1 соединен с его инверсным входом и вторым зондом 4. Неинверсный вход операционного усилителя 5 через второй резистор R2 соединен с общей шиной. Таким образом, в отрицательную обратную связь операционного усилителя 5 через два зонда 3 и 4 подключена распределённая RC-структура 2, являющаяся измеряемым устройством.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Распределённая RC-структура 2 подключается через первый 3 и второй 4 зонды в отрицательную обратную цепь операционного усилителя 5, что обеспечивает появление гармонического сигнала на его выходе. Фазочувствительный элемент 6 преобразует изменение фазы сигнала в изменение амплитуды, которая получается на его выходе.
Г
У
Заданный с помощью ПЭВМ 9 гармонический сигнал генератора 1 U подаётся на первый зонд 3, подключенный к распределённой RC-структуре 2. В результате на выходе операционного усилителя Uбудет гармонический сигнал, определяемый по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>У</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>Г</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><mi>R</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>R</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,                                    (1)
Г
У
RC
RC
½
где U– напряжение на выходе генератора 1; U – напряжение на выходе операционного усилителя 5;  R – номинал резистора 6 операционного усилителя 5;  j =(-1) - мнимая единица; ω=2πf – круговая частота гармонического сигнала; R и C – эквивалентные сопротивление и ёмкость распределённой RC-структуры.
Эквивалентную ёмкость распределённой RC-структуры можно определить как
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub></mrow>
,                                           (2)
<mi>A</mi>
<mrow><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mi>ε</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>36</mn><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>9</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
<mi>ε</mi>
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub></mrow>
где  – конструктивный параметр зонда, м;  – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (, Ф/м; – относительная диэлектрическая проницаемость; - ёмкость датчика, Ф.
Эквивалентное сопротивление представимо в виде
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>К</mi><mi>С</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>A</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msup><mi>σ</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
,                                          (3)
<mi>A</mi>
<mi>σ</mi>
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>К</mi><mi>С</mi></mrow></msub></mrow>
где  – тот же конструктивный параметр датчика, м;  – удельная электропроводность среды, См/м; - активное сопротивление датчика, Ом.
RC
RC
Следовательно, произведение R*C можно представить как
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>К</mi><mi>С</mi></mrow></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>A</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>σ</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>/</mo><mi>σ</mi></mrow>
.                                          (4)
Подставляя результат (4) в формулу (1), можно определить фазовый сдвиг гармонического сигнала φ, получающийся на выходе операционного усилителя 5 относительно сигнала на выходе генератора 1
<mrow><mi>φ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mi>σ</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
.                                      (5)
На опорный вход фазочувствительного элемента 6 поступает гармонический сигнал с выхода генератора 1, а на его сигнальный вход поступает гармонический сигнал с выхода операционного усилителя 5. На выходе фазочувствительного элемента 6 получается сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу φ согласно формуле (5) и подается на вход АЦП 7, с выхода которого через устройство сопряжения 8 этот сигнал поступает в ПЭВМ 9, где запоминается и обрабатывается. Для управления работой генератора 1 используется выход ПЭВМ 9, с помощью которого устанавливается заданное значение частоты генератора 1, его включение и выключение.
Для обеспечения заданной точности измерения фазового сдвига φ номиналы резисторов R1 и R2 должны быть одинаковыми. Формула (5) также указывает на отсутствие влияния конструктивных параметров зондов 2 и 4 на результат измерения фазового сдвига.
Фазочувствительный элемент может быть выполнен, например, как описано в книге Марше Ж. Операционные усилители и их применение. Пер. с франц. Л. «Энергия», 1974, С. 86, рис. 5-57.
Другие блоки общеизвестны и их реализация не вызывает затруднений.
Предлагаемое устройство может быть использовано для определения других характеристик распределённой RC-структуры: тангенс угла диэлектрических потерь, удельной проводимости подстилающей поверхности, диэлектрической проницаемости и т.д. аналогично тому, как описано в патенте РФ 2671299, G01V 3/08/
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры при упрощении и ускорении процесса измерения.