СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения различных физических величин. К их числу относятся механические величины, геометрические параметры изделий, физические свойства веществ, уровень (количество) вещества и др. К ним же относятся электрофизические, акустические и другие параметры контролируемых объектов (материалов, веществ).

Известен способ измерения физического параметра объекта, заключающийся в размещении контролируемого объекта в резонаторе того или иного типа (колебательном контуре, объемном или открытом СВЧ-резонаторе, акустическом резонаторе и т.п.) и измерении характеристики этого резонатора. К числу таких характеристик относятся собственная (резонансная) частота колебаний, добротность резонатора, входное сопротивление и др., которые могут изменяться в зависимости от физических и (или) геометрических параметров контролируемого объекта.

Известен также способ измерения физического параметра, который состоит в возбуждении колебаний в резонаторе, в поле которого размещают контролируемый объект, и регистрации одного из параметров амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). В качестве регистрируемого параметра используют собственную частоту колебаний резонатора.

Недостатком этого способа является его невысокая точность, обусловленная недостаточной чувствительностью. Так, если рассматриваются электрические измерения неэлектрических величин, то представляют интерес электрофизические параметры контролируемых объектов, в частности диэлектрическая проницаемость ε объекта. При этом диапазон Δ f изменения собственной частоты f_p колебаний резонатора ограничен величиной
Δf= f(1 -1/) где f_po - значение f_p при ε = 1. Аналогичный вывод справедлив и в случае акустических резонаторов. Невысокую чувствительность способа можно объяснить тем, что полезную информацию получают, исходя из зависимости информативного параметра от , а не от ε .

Целью изобретения является повышение точности.

Сущность способа состоит в следующем. Согласно данному способу производят регистрацию величины
S = A(f)αf (1) где A(f) - значение амплитуды при текущем значении частоты f в пределах диапазона частот [f₁, f₂]. Определение этой величины S, зависящей от величины х измеряемого физического параметра, связано с наблюдением АЧХ в данном частотном диапазоне.

Параметр S есть информационный параметр, представляющий, по существу, площадь, покрываемую значениями амплитуды А в диапазоне частот, возбуждаемых в резонаторе колебаний.

Рассмотрим для определенности контролируемый объект, являющийся диэлектриком, размещаемым в поле электрической колебательной системы (колебательном контуре, ВЧ- или СВЧ-резонаторе). Для оценки чувствительности, которую можно охарактеризовать значением максимума относительного отклонения δ_s = 1-S(x_max)/S_o (S_o - значение S при х = 0, х_max - значение х, при котором имеет место максимальное отклонение δ_s), рассмотрим приближенное значение интеграла (1), которое позволяет сделать качественную и количественную оценки. С этой целью АЧХ (фиг.1) аппроксимируем прямыми линиями (обозначены пунктиром), образующими равнобедренный треугольник, площадь S_т которого равна (с малой погрешностью) значению искомого интеграла.

Площадь S_т такого треугольника можно записать так
S_т= k R Δf_p= k WQ· = kWf_p (2) где R - резонансное сопротивление; Δ f_p - полоса пропускания резонансной системы; Q - добротность;W = - волновое (характеристическое) сопротивление; L_э и С_э - эквивалентные значения соответственно индуктивности и емкости резонатора; f_p - резонансная частота; k - постоянный коэффициент. Так как
f_p= 1/ то формулу (2) можно представить в следующем виде:
S_т = (3)
Поскольку начальное значение S_т, равное S, есть
S= (4) где С - эквивалентная емкость резонатора при ε= 1, то
= = (5)
и, следовательно,
= 1- (6)
Данная величина превышает аналогичную ей величину δ_f= 1 - 1/,соответствующую измерению резонансной (собственной) частоты f_p резонатора при ее использовании в качестве информативного параметра.

Увеличение чувствительности можно подтвердить и для текущих значений х измеряемого параметра. Для определенности рассмотрим задачу измерения уровня диэлектрического вещества с применением резонансной системы (колебательного контура, отрезка длинной линии и др.), у которой происходит изменение объема заполнения контролируемым веществом по мере изменения его уровня в содержащем это вещество баке (фиг.2).

При этом для значения S(x) находим следующее выражение:
= = = (7)
в то время как для значения f_p(x) будем иметь
= (8)
На фиг.3 приведены экспериментально полученные значения f_p^(x)/f_po(кривая 6) и S(x)/S_o (кривая 7) с применением одного и того же датчика на основе отрезка длинной линии, короткозамкнутого на конце. Контролируемое вещество - дизельное топливо. Отсюда, в частности, видно, что использование в качестве информативного параметра S позволяет получить более высокую чувствительность к измеряемым физическим параметрам, чем при использовании f_p. Рассмотренный пример служит лишь иллюстрацией данного способа, который можно использовать для любых типов резонансных систем с проведением присущей данному способу совокупности операций.

На фиг. 4 приведена схема устройства, предназначенного для реализации данного способа.

Устройство содержит резонатор 1, к входу которого подсоединен возбуждающий в нем колебания генератор 2. К выходу резонатора 1 подсоединена цепочка последовательно соединенных детектора 3, интегратора 4 и индикатора 5. Этот индикатор регистрирует получаемое на выходе блока 4 значение интеграла (Ι) при девиации частоты генератора 2 в пределах [f₁, f₂]. Этот частотный диапазон должен соответствовать пределам изменения значений измеряемого параметра х.

Способ может быть реализован с применением всевозможных (электрических, электромагнитных, акустических) резонансных систем и связан с регистрацией их амплитудно-частотных характеристик. Реализация способа в реальном масштабе времени позволяет применять простые и недорогие средства измерения.

Применение: изобретение позволяет повысить точность при проведении измерений физических параметров объектов с помощью резонансных систем. Оно может найти применение в различных отраслях промышленности, в научных исследованиях для высокоточного и высокочувствительного измерения неэлектрических величин. Сущность изобретения: повышение точности обеспечивается за счет возбуждения колебаний в резонансной системе в фиксированном диапазоне частот, регистрации амплитуды амплитудно-частотной характеристики при каждом значении частоты и определении величины, по которой судят о физическом параметре объекта. 4 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ОБЪЕКТА, при котором возбуждают колебания в резонансной системе, в поле которой размещен контролируемый объект, регистрируют один из параметров полученной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), резонансной системы в фиксированном диапазоне частот, по уровню которого судят о физическом параметре контролируемого объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве регистрируемого параметра АЧХ, используют площадь, покрываемую значениями амплитуды в диапазоне частот возбуждаемых колебаний.