4-2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИХ ВЛАГОМЕРОВ С РАБОЧЕЙ ЧАСТОТОЙ НИЖЕ 100 Мгц

Диэлькометрические влагомеры (исключая влагомеры СВЧ) работают в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков мегагерц; наиболее распространенным является диапазон от сотен килогерц до 10 - 15 Мгц.

В указанных диапазонах датчик представляет собой комплексное сопротивление, в котором преобладает реактивная (емкостная) или активная составляющая.

Для измерения полного сопротивления датчика или его составляющих нашли применение многочисленные измерительные схемы, основанные на известных методах радиотехнических измерений и измерений параметров диэлектриков [Л. 4-5]. Однако диэлектрические измерения влажности материалов имеют ряд особенностей.

Максимальная емкость датчиков обычно ограничена десятками пикофарад и редко превышает 100 пф; в то же время tg б датчика с материалом может достигать нескольких единиц и больше.

Современные влагомеры градуируются эмпирически. Поэтому от измерительных устройств не требуется определения действительных значений е и tg б материала. Не следует также предъявлять слишком высокие требования к погрешности измерительного устройства, так как она не является основной составляющей общей погрешности влагомера. Классификация измерительных устройств диэлькометрических влагомеров может быть основана на различных признаках. По характеру измеряемой входной величины датчика их можно разделить на устройства для измерения полного сопротивления датчика и на измерительные устройства с разделением составляющих, дающие информацию о величине реактивной или активной составляющей комплексного сопротивления.

В обеих группах измерительных устройств находят применение:

а) резонансные схемы, использующие явление резонанса в колебательном контуре с сосредоточенными постоянными, одним из элементов которого является датчик;

б) схемы измерения полного сопротивления без использования явления резонанса: мостовые, дифференци-

альные и т. д. Основная разница между обеими категориями заключается в роли генератора колебаний повышенной частоты: в резонансных схемах генератор является составной частью измерительной цепи, в то время как в схемах второго типа он служит лишь источником питания измерительной цепи.

Резонансные схемы можно в свою очередь разделить по характеру выходной величины на контурные и генераторные Л. 4-6]. У первых выходной величиной является один из параметров колебательного контура (в том числе его резонансная частота). В генераторных схемах выходной величиной является частота колебаний генератора «ли амплитуда этих колебаний, токи и напряжения генератора.

Е. С. Кричевский 1[Л. 3-1 на четыре типа: Z-метры и

делит измерительные схемы -метры, реагирующие на из-

менение модуля соответственно комплексного сопротивления .и комплексной проводимости датчика; Q-метры, реагирующие на изменение его добротности, и F-метры, реагирующие на изменение частоты автогенератора при включении датчика в его колебательный контур.

Наконец, классификационным признаком может служить используемый способ измерения - с прямым преобразованием (включающий неуравновешенные мостовые и дифференциальные схемы) и с уравновешиванием. В схемах с уравновешиванием часто применяется способ замещения.

Из рассмотренных классификационных признаков основным является способ учета диэлектрических потерь в датчике влагомера (измерение с разделением или без разделения составляющих полного сопротивления).

При измерениях полного сопротивления датчика его проводимость прямо влияет на результат измерения.

В резонансных схемах ее влияние на параметры колебательного контура и генератора высокой частоты сводится к следующему:

1. В резонансных схемах чаще всего применяются LC-генераторы с самовозбуждением. При наличии диэлектрических потерь в датчике, входящем в колебательный контур, угловая частота собственных колебаний генератора со не равна резонансной частоте идеального контура (т. е. контура без потерь) v)o=l/VЕС (L - индуктивность контура. С -емкость).

Влияние потерь на частоту описывает соотношение

1 +tga 1 + i/Qi

где tg6 - тангенс угла диэлектрических потерь датчика; Ql - добротность катушки индуктивности на резонансной частоте.

2. Условие самовозбуждения генератора выполняется при уменьшении резонансного сопротивления контура лишь до определенной величины, которой соответствует минимальное допустимое сопротивление Rx датчика. Если Rx ниже этой величины, происходит срыв колебаний. Известно, что любой генератор незатухающих колебаний эквивалентен некоторому отрицательному сопротивлению R-, вносимому в контур для компенсации его активных потерь.

Для возникновения колебаний в параллельном контуре, включенном параллельно отрицательному сопротивлению, необходимо, чтобы его резонансное сопротивление было больше R„

.3. Амплитуда и ширина резонансной кривой зависят от добротности Qk колебательного контура. Для контуров с последовательным и параллельным питанием отношение А ординат резонансной кривой к максимальному значению равно:

где Qk - добротность контура; д - относительная расстройка контура.

(AIC и Alco - приращения емкости и частоты относительно значений Со и ©о, соответствующих резонансу в идеальном контуре).

При больших потерях в датчике QK~Qx=l/tg6 {Qx, tg6x - добротность и тангенс угла диэлектрических потерь датчика). Следовательно, с ростом потерь в датчике уменьшается пик резонансной кривой, кривая становится более широкой и пологой, а ее максимум - расплывчатым, что ухудшает остроту и уменьшает точность настройки в резонансе. 104 ,