СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01D5/12 G01F23/00 

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения физических величин, преобразуемых в электрическую емкость, индуктивность или резистивность.

Известны способы измерения физических величин путем включения испытуемых образцов емкостного (индуктивного или резистивного) типа в мостовую схему с источником тока в диагонали питания моста, содержащую эталонную емкость (индуктивность или резистивность) и два постоянных или переменных (управляемых) образца физической величины для измерения соответствующей физической величины путем наблюдения за токовыми режимами в измерительной диагонали моста [1].

Известны способы измерения физических величин, основанные на измерениях частоты в устройствах типа частотомер, содержащих первичный преобразователь физической величины с частотным датчиком, выходной величиной которого является частота электрического сигнала [2].

Указанные способы имеют недостатки, связанные с необходимостью усложнения устройств при низкой надежности, вызванные как вследствие применения множества образцовых мер физической величины и большого числа электрорадиоэлементов, так и из-за наличия в схеме элементов настройки и отработки с переменными емкостью и резистивностью с включенными в измерительную цепь сухими контактами движков и площадок контактирования в виде дорожки из обмотки с зачищенным проводом или зачищенной пластины, подверженных изнашиванию и окислению при работе, вызывающих искажение параметров цепи и возникновение помех при измерениях.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения образцов физических величин электроемкостного, индуктивного или резистивного типа путем включения их в мостовую схему и устройство для его осуществления, например электроемкостный топливомер для измерения запаса топлива на борту транспортного средства, содержащий первичный преобразователь запаса топлива в электрическую емкость и во вторичном преобразователе сигнала: эталонную электрическую емкость, три постоянных резистивности, две переменных резистивности и потенциометр, включенные в плечи самоуравновешенного моста [3], в котором напряжение с измерительной диагонали моста через усилитель подается на двигатель, который через редуктор из системы сцепленных зубчатых колес перемещает стрелку показывающего прибора путем изменения положения движка на потенциометре, вызывающего изменение резистивности плеча моста в сторону снижения напряжения в измерительной диагонали, вследствие чего двигатель останавливается при условии, когда сила трения движения в подшипниках, системе зубцов колес редуктора и на движке потенциометра превысит усилие на валу двигателя. Изменение запаса топлива в баке в дальнейшем вызовет изменение емкости в цепи первичного преобразователя и рост напряжения в измерительной диагонали, вследствие чего двигатель станет перемещать стрелку и движок потенциометра, когда усилие на валу двигателя превысит силу трения покоя в подшипниках, системе зубцов колес редуктора и на движке потенциометра, причем усилитель питания двигателя отрегулирован так, чтобы напряжение в измерительной диагонали, возрастающее вследствие изменения электрической емкости в первичном преобразователе, вызывало плавное перемещение стрелки прибора и движка потенциометра во избежание задержки отработки изменения параметров системы, указанных выше, что отражается на погрешности измерения, а также во избежание колебаний стрелки при возможных переходах движка потенциометра далее зоны остановки, вследствие инерционности механической системы самоуравновешенного моста.

Недостатком способа измерений в мостовой схеме, кроме указанных выше, является необходимость уравновешивания плеч моста до состояния, когда ток в измерительной диагонали доведен до нулевого значения, а недостатками устройства типа самоуравновешенный мост являются трение и инерционность сложной механической системы отработки сигнала в измерительной диагонали и сложность регулировки схемы управления двигателя движка потенциометра и стрелки для учета противоречивых требований точности и стабильности.

Задачей изобретения является упрощение аппаратуры для измерения физической величины, преобразуемой в электрическую емкость, индуктивность или резистивность за счет отказа при лабораторных измерениях - от множества образцовых мер физической величины, а при автоматических измерениях - от сложной механической системы отработки разбаланса напряжения в измерительной диагонали самоуравновешенного моста, содержащей двигатель, редуктор из системы сцепленных зубчатых колес и движка потенциометра, а также - сухих контактов трения в электрических цепях подстроечных элементов балансировки моста и управления усилителя измерительного напряжения, потенциометра с движком.

Сущностью изобретения является способ измерения физических величин, преобразуемых в электрическую емкость, индуктивность или резистивность, путем наблюдения угла сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, из которых два (или один) связаны с измеряемой физической величиной, а один (или два) протекают в эталонной цепи (эталонных цепях), при этом сложение трех векторов тока производят в одной плоскости, где указанные векторы имеют общее начало и развернуты между собой на углы 120^o, и вычисления измеряемой физической величины по формулам связи ее с величинами эталона (эталонов) и тригонометрической функции наблюдаемого угла сдвига, или считывания измеряемой физической величины со шкалы, отградуированной с учетом величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла сдвига, и устройство для осуществления указанного способа.

Для осуществления задачи изобретения предлагается три параллельные электрические цепи, содержащие первичный преобразователь физической величины и эталон (эталоны), подключить к преобразователю векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля, а значение измеряемой физической величины вычислять по формуле связи ее с величинами эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла поворота сцепленного с преобразователем магнитным полем анизотропного по углу ферромагнитного тела на оси вращения, перпендикулярной плоскости вращения вектора индукции магнитного поля, или считывать со шкалы, отградуированной с учетом указанных выше величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла, при наблюдении положения ферромагнитного тела, указанного выше.

Для осуществления предложенного способа измерений возможны два варианта измерительных цепей, содержащих три тока, связанных с испытуемым образцом - первичным преобразователем физической величины в электрический сигнал и эталонным образцом - эталоном, в которых:
- чувствительный элемент первичного преобразователя физической величины состоит из двух электрически разделенных частей;
- вторичный преобразователь электрического сигнала содержит две отдельные цепи с эталонами.

Расчетные формулы для определения значения физической величины в случае, когда чувствительный элемент первичного преобразователя физической величины состоит из двух электрически отдельных частей, не приводятся, так как они связаны с функциональными зависимостями физической величины в обеих частях первичного преобразователя физической величины, а для случая, когда в измерениях применены два эталона физической величины и один испытуемый образец - первичный преобразователь физической величины, формулы связи измеряемой физической величины с величинами эталонов R₁ и R₂ типа электрической емкости, индуктивности или проводимости и тригонометрической функции угла α_x имеют вид:

в диапазоне: 0<α_x≤60^°;

в диапазоне: 60^°≤α_x≤120^°;
R_x = 0,5(R₁+R₂)-(R₂-R₁)•ctgα_x (3)
в диапазоне: 120^°≤α_x≤180^°,
гладко переходящие одна в другую на границах диапазонов при углах: α_x = 60^°; α_x = 120^°,
и с учетом условий: R₁ < R₂;
α_x = 0, когда цепи с R₁ и R₂ разомкнуты.

В случаях ограничения мощности цепей первичного преобразователя физической величины, например, для обеспечения требования взрывобезопасности, предлагается измененный вариант осуществления задачи изобретения, при котором три параллельные цепи, содержащие токи от первичного преобразователя физической величины и эталона (эталонов), подключают к преобразователю векторной суммы трех токов в два напряжения, пропорциональные косинусной и синусной проекциям векторной суммы трех токов на вектор тока в цепи эталона (первичного преобразователя), подаваемые, при необходимости усиления мощности электрического сигнала, на входы усилителей, а при вычислениях значения измеряемой физической величины по формулам связи ее со значениями величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через эталон (первичный преобразователь) используют, например, измерители типа вольтметр для определения значения величины тригонометрической функции угла сдвига, указанного выше, или электронное вычислительное устройство, обрабатывающее информацию о величине эталона (эталонов) и двух напряжениях, указанных выше; или преобразователь двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, когда значение измеряемой физической величины вычисляют по формулам ее связи с величинами эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через эталон (первичный преобразователь), отсчитываемого по углу поворота сцепленного с преобразователем магнитным полем анизотропного по углу ферромагнитного тела на оси вращения, перпендикулярной плоскости вращения вектора индукции магнитного поля, или считывают со шкалы, отградуированной с учетом указанных выше величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла, при наблюдении положения ферромагнитного тела, указанного выше, а для выдачи сигнала о достижении физической величиной определенного заданного значения применяют магнитоуправляемый элемент, например геркон, установленный в зоне выхода магнитного поля из корпуса преобразователя двух напряжений в вектор индукции магнитного поля.

Сопоставительный анализ заявляемого способа и устройства для его осуществления по сравнению с наиболее близким аналогом выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого способа и устройства для его осуществления, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Наличие отличительных признаков дает возможность получить положительный эффект, выражающийся в создании аппаратуры для измерения физических величин, обладающей простотой и надежностью за счет отказа при лабораторных измерениях от множества образцовых мер физической величины и переключателей с сухими контактами для балансировки четырехплечего моста, а при автоматических измерениях - от сложной механической системы отработки разбаланса напряжений в измерительной диагонали самоуравновешенного моста, содержащей двигатель, редуктор, потенциометр с движком, а также - от сухих контактов трения в электрических цепях подстроечных элементов балансировки моста управления усилителя измерительного напряжения, потенциометра с движком.

Поскольку при исследовании объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе не выявлено решений, содержащих признаки заявляемого изобретения, отличные от прототипа, следует сделать вывод, что заявляемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

Использование заявляемого изобретения в приборостроении обеспечивает изобретению соответствие критерию "промышленная применимость".

Перечень фигур графических изображений.

Фиг. 1. Схема устройства для измерения физической величины с первичным преобразователем из двух электрически разделенных частей.

Фиг. 2. Схема намотки преобразователя векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля.

Фиг. 3. Схема устройства для измерения физической величины с двумя эталонами.

Фиг. 4. Схема устройства для измерения физической величины с преобразователем векторной суммы трех токов в два напряжения.

Фиг. 5. Схема намотки преобразователя векторной суммы трех токов в два напряжения.

Фиг. 6. Схема устройства для измерения физической величины с преобразователем двух напряжений в вектор индукции магнитного поля.

Фиг. 7. Схема намотки преобразователя двух напряжений в вектор индукции магнитного поля.

Фиг. 8. Схема устройства для измерения физической величины с преобразователем векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля и преобразователем двух напряжений в вектор индукции магнитного поля.

На фиг. 1 изображено устройство, для примера: типа топливомер, для осуществления способа измерения физической величины, преобразуемой в электрическую емкость, путем наблюдения за углом сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи эталона. Размещенные последовательно по высоте две электрически разделенные части 1 и 2 первичного преобразователя запаса углеводородной жидкости в электрическую емкость, подключены одной из обкладок вместе с эталонным конденсатором 3 (эталоном) к одной из клемм источника 4 переменного тока, при этом величины емкостей частей 1 и 2 первичного преобразователя на воздухе равны приблизительно 2/3 от величины емкости эталона 3 каждая. Другие обкладки указанных емкостей 1, 2 и 3 подключены к другой клемме источника 4 соответственно через обмотки 5, 6 и 7 преобразователя 8 векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля, при этом с указанным преобразователем 8 сцеплено магнитным полем анизотропное по углу ферромагнитное тело 10 на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы 11 для отсчета угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока в цепи эталона 3 или отсчета измеряемой физической величины со шкалы 11.

На фиг. 2 изображены направления намотки обмоток преобразователя 8 по фиг. 1 (а также по фиг. 3). На пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник 9, намотаны три плоскопараллельные обмотки 5, 6, 7 с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника 9, которые имеют одинаковые числа витков и резистивности, а их направления намотки развернуты между собой на углы 120^o.

На фиг. 3 изображено устройство, для примера: типа плотномер, для осуществления способа измерения физической величины, преобразуемой в электрическую емкость, путем наблюдения за углом сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи первичного преобразователя физической величины в электрическую емкость. Первичный преобразователь 1 диэлектрической плотности топлива в электрическую емкость подключен одной из обкладок вместе с эталонными конденсаторами 2 и 3 (эталонами) к одной из клемм источника 4 переменного тока, при этом величины емкости эталонов 2 и 3 выбраны внутри диапазона возможных значений емкости первичного преобразователя 1, полностью погруженного в рабочую жидкость, в условиях эксплуатации соответственно вблизи нижней и верхней границ диапазона, а другие обкладки указанных емкостей 1, 2 и 3 подключены к другой клемме источника 4 соответственно через обмотки 7, 5 и 6 преобразователя 8 векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля, при этом с указанным преобразователем 8 сцеплено магнитным полем анизотропное по углу ферромагнитное тело 10 на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы 11 для отсчета угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока в цепи первичного преобразователя 1 или отсчета измеряемой физической величины со шкалы 11.

На фиг. 4 изображено устройство типа топливомер (плотномер), с учетом описания устройства по фиг. 1 (3), для осуществления способа измерения физической величины, путем вычисления ее по формулам связи с величинами эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла, определяемой по отношению двух напряжений, пропорциональных косинусной и синусной проекциям векторной суммы трех токов на вектор тока в цепи эталона 3 по фиг. 1 (первичного преобразователя 1 по фиг. 3).

На фиг. 5 изображены направления намотки обмоток преобразователя 15 по фиг. 4. На пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник 16, намотаны пять плоскопараллельных обмоток 12, 13, 14, 17 и 18 с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника 15, три из которых - 12, 13 и 14 имеют равные между собой числа витков и резистивности, а их направления намотки развернуты между собой на углы 120^o; а две другие - 17 и 18 имеют равные между собой числа витков и резистивности, а их направления намотки развернуты между собой на угол 90^o, при этом направления обмоток 14 и 17 одинаковы.

На фиг. 6 изображено устройство типа топливомер (плотномер), при необходимости подключенное через усилители мощности к выходам преобразователя 15 по фиг. 4, обмотками 19 и 20 преобразователя 21 двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, с которым сцеплено магнитным полем анизотропное по углу ферромагнитное тело 10 на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы 11 для отсчета угла сдвига или отсчета измеряемой физической величины, а также магнитоуправляемый элемент, например геркон 23, установленный в зоне выхода магнитного поля из корпуса преобразователя 21 с учетом индикатриссы чувствительности и угла вектора индукции магнитного поля при достижении физической величиной заданного значения.

На фиг. 7 изображены направления намотки обмоток преобразователя 21 двух напряжений в вектор индукции магнитного поля по фиг. 6. На пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник 22 намотаны плоскопараллельные обмотки 19 и 20 с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника 22, которые имеют равные между собой числа витков и резистивности, а их направления намотки развернуты между собой на угол 90^o.

На фиг. 8 изображено устройство типа топливомер (плотномер) для осуществления способа измерения физической величины путем измерения двух напряжений, связанных со значениями измеряемой физической величины и эталона (эталонов), содержащее преобразователь 8 векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля по фиг. 1 (3) и связанный с ним магнитным полем через стенки корпусов и кольцевой магнитомягкий сердечник 24, преобразователь 21 двух напряжений в вектор индукции магнитного поля по фиг. 6, включенный для работы в обратном направлении.

Работа устройства по фиг. 1 может быть описана следующим образом. Источник 4 переменного тока создает в трех параллельных цепях, содержащих часть 1 первичного преобразователя физической величины в емкость и обмотку 5 преобразователя 8; часть 2 первичного преобразователя физической величины в емкость и обмотку 6 преобразователя 8; эталон 3 и обмотку 7 преобразователя 8, - токи I₁, I₂, I₃, связанные соответственно с величинами емкостей 1, 2, 3. Ток I₀, равный арифметической сумме указанных выше токов, течет в цепи, замыкающей суммарный ток обмоток 5, 6 и 7 на клемму источника 4. Векторная сумма трех токов, протекающих в обмотках 5, 6 и 7 преобразователя 8 наводит в магнитомягком сердечнике 9 магнитное поле, вектор индукции которого направлен по диаметру сердечника 9 с углом отклонения от вектора индукции магнитного поля, наводимого током I₃ через обмотку 7, зависящим от отношения величин емкостей 1, 2 и 3 между собой. Поскольку величины емкостей частей 1 и 2 первичного преобразователя физической величины на воздухе выбраны по 2/3 от величины емкостей эталона 3, то в начале диапазона измерений запаса топлива векторная сумма трех токов равна току через конденсатор емкостью, величиной в 1/3 от величины емкости эталона 3, а направление векторной суммы трех токов соответствует вектору тока через обмотку 7. В конце диапазона измерений запаса топлива, когда части 1 и 2 первичного преобразователя физической величины полностью залиты топливом, условно, с относительной диэлектрической проницаемостью, приблизительно равной 2, величины емкостей 1 и 2 становятся равными по 4/3 от величины емкости эталона 3 каждая, что определит величину векторной суммы трех токов, как ток через конденсатор емкостью в 1/3 от величины емкости эталона 3, а направление векторной суммы трех токов будет противоположно току через обмотку 7 (развернется на угол 180^o относительно начала диапазона измерений). Во всем диапазоне работы устройства при промежуточных значениях запаса топлива значение величины векторной суммы трех токов остается приблизительно постоянной, вследствие чего запас топлива, то есть значение измеряемой физической величины определяют по формулам связи ее с величинами эталона 3 и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока в цепи эталона 3, отсчитываемого по повороту, сцепленного с преобразователем 8 магнитным полем анизотропным по углу, ферромагнитного тела 10 на оси вращения, перпендикулярной плоскости пластин сердечника 9, или считывают со шкалы 11, параллельной плоскости пластин сердечника 9, отградуированной с учетом указанных величин эталона 3 и тригонометрической функции угла, при наблюдении положения ферромагнитного тела 10, выполняющего функцию стрелки на шкале 11 измерительного устройства.

Схема намотки по фиг. 2 объясняет работу преобразователя 8 по фиг. 1. Три тока от емкостей 1 и 2 первичного преобразователя и эталона 3 протекают соответственно по обмоткам 5, 6 и 7 преобразователя 8 по фиг. 1, соединенным звездой, и подключенные общим выводом к источнику 4, и наводят на круглом магнитомягком сердечнике 9 переменное магнитное поле по величине, определяемое суммой действия трех векторов тока, лежащих в одной плоскости и развернутых между собой на углы 120^o, а по направлению - отклоненного от векторной суммы трех токов на угол 90^o.

Работа устройства по фиг. 3 может быть описана следующим образом. Источник 4 переменного тока создает в трех параллельных цепях, содержащих первичный преобразователь 1 физической величины в емкость и обмотку 7 преобразователя 8 по фиг. 1, 2; эталон 2 и обмотку 5 преобразователя 8; эталон 3 и обмотку 6 преобразователя 8, - токи I₁, I₂, I₃, связанные с величинами емкостей 1, 2, 3. Ток I₀, равный арифметической сумме указанных выше токов, течет в цепи, замыкающей суммарный ток с обмоток 5, 6 и 7 на клемму источника 4. Векторная сумма трех токов, протекающих в обмотках 5, 6 и 7 преобразователя 8 наводит в магнитомягком сердечнике 9 переменное магнитное поле, вектор индукции которого направлен по диаметру сердечника 9 с углом отклонения от вектора индукции магнитного поля, наводимого током I₃ через обмотку 7, зависящим от отношения величин емкостей 1, 2 и 3 между собой. В начальной части диапазона работы измерительного устройства, когда величина емкости первичного преобразователя 1 физической величины равна величине емкости эталона 2, направление векторной суммы трех токов совпадает с направлением тока I₁ через обмотку 6, а вблизи конца диапазона работы, когда величина емкости первичного преобразователя 1 физической величины равна величине емкости эталона 3, направление векторной суммы трех токов обратно току I₂ через обмотку 6, что определяет диапазон изменений углов векторной суммы трех токов в 60^o при изменении величины емкости преобразователя 1 от величины емкости эталона 2 до величины емкости эталона 3. Реальный диапазон возможных углов отклонения вектора индукции магнитного поля устройства по фиг. 3 превышает угол 60^o за счет дополнительных углов отклонения, с одной стороны, в части рабочего диапазона, когда величина емкости преобразователя 1 становится меньше величины емкости эталона 2, а с другой стороны - в части рабочего диапазона, когда величина емкости преобразователя 1 становится больше величины емкости эталона 3, при этом величина векторной суммы трех токов во всем диапазоне работы устройства по фиг. 3 остается приблизительно постоянной, вследствие чего значение измеряемой физической величины вычисляют по формулам 1 - 3 связи ее с величинами эталонов 2 и 3 и величиной тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока в цепи преобразователя 1, отсчитываемого по повороту сцепленного с преобразователем 8 магнитным полем анизотропным по углу ферромагнитного тела 10 на оси вращения, перпендикулярной плоскости пластин сердечника 9, или считывают со шкалы 11, параллельной плоскости пластин сердечника 9, отградуированной с учетом указанных выше величин эталонов 2 и 3 и тригонометрической функции угла, при наблюдении положения ферромагнитного тела 10, выполняющего функцию стрелки на шкале 11.

Работа устройства по фиг. 4 описывается с учетом того, что известна работа устройства по фиг. 1(3), так как емкости первичного преобразователя физической величины и эталона (эталонов) 1, 2 и 3, а также источник 4, составляющие устройство по фиг. 1 (3), изображены на фиг. 1 (3) слева от обозначений токов I₁, I₂, I₃ и общего тока I₀, замыкающего цепи преобразователя 15 на источник 4. Преобразователь 15 векторной суммы трех токов в два напряжения пропускает по своим обмоткам 12, 13 и 14 три тока от параллельных электрических цепей преобразователя физической величины и эталона (эталонов) и наводит в магнитомягком сердечнике 16 и вокруг него переменное магнитное поле, определяемое векторной суммой указанных трех токов, а это магнитное поле сердечника 16 наводит в обмотках 17 и 18 два напряжения: U_yα, U_xα, пропорциональные косинусной и синусной проекциям вектора суммы токов на ток в цепи эталона 3 устройства по фиг. 1 (на ток в цепи преобразователя 1 в устройстве по фиг. 3), отношение которых определяет тригонометрическую функцию угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через обмотку 14 преобразователя 15: U_yα/U_xα= ctgα_x, при этом значение измеряемой физической величины вычисляют по формулам связи ее со значениями величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов, указанного выше, для чего используют, например, измерители типа вольтметр для определения значения величины тригонометрической функции угла сдвига, указанного выше, или электронное вычислительное устройство, обрабатывающее информацию о величине эталона (эталонов) и отношении двух напряжений, указанных выше.

Схема намотки по фиг. 5 объясняет работу преобразователя 15 по фиг. 4. Три тока в параллельных цепях первичного преобразователя физической величины и эталона по фиг. 1 (эталонов по фиг. 3), протекающие по обмоткам 12, 13 и 14, соединенным звездой и общим выводом, подключенные к источнику 4 по фиг. 1 (3), наводят на сердечнике 16 переменное магнитное поле, определяемое по величине и направлению вектора индукции суммой действия трех векторов тока, лежащих в одной плоскости и развернутых на углы 120^o, а это переменное магнитное поле наводит на обмотках 17 и 18 напряжения U_yα, U_xα, связанные со значениями измеряемой физической величины и эталона (эталонов).

Работа устройства по фиг. 6 описывается с учетом того, что известна работа устройства по фиг. 1 (3) и преобразователя 15 по фиг. 4. Напряжения U_yα, U_xα, снимаемые с обмоток 17 и 18 преобразователя 15 по фиг. 4, при необходимости после усиления мощности электрического сигнала, вызывают на обмотках 19 и 20 преобразователя 21 токи, наводящие в сердечнике 22 магнитное поле с вектором индукции, угол сдвига которого от начальной точки работы устройства по фиг. 1(3) отсчитывают по повороту, сцепленного с преобразователем 21 магнитным полем ферромагнитного тела 10, выполняющего функцию стрелки на шкале 11 измерительного устройства, для вычисления измеряемой физической величины по формулам связи ее с величиной эталона (эталонов) и тригонометрической функцией угла сдвига, указанного выше, или отсчета значения измеряемой физической величины со шкалы 11, отградуированной с учетом указанных выше величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла при наблюдении положения ферромагнитного тела 10 на шкале 11, а сигнал о достижении физической величиной определенного заданного значения снимают с магнитоуправляемого элемента, например геркона 23.

Схема намотки по фиг. 7 объясняет работу преобразователя 21 по фиг. 6. Напряжения U_yα, U_xα с обмоток 17, 18 преобразователя 15 по фиг. 4 вырабатывают в обмотках 19 и 20 преобразователя 21 токи, наводящие в сердечнике 22 магнитное поле с углом сдвига вектора индукции относительно начальной точки работы устройства по фиг. 1 (3), котангенс которого равен отношению напряжений на обмотках 17 и 18 преобразователя 15.

Работа по фиг. 8 соответствует работе устройства по фиг. 4 с той разницей, что вместо преобразователя 15 по фиг. 4, в устройстве по фиг. 8 применены преобразователь 8 по фиг. 1 (3) и преобразователь 21 по фиг. 6, включенный для работы в обратном направлении, вследствие чего векторная сумма трех токов, протекающих через преобразователь 8, поступает в преобразованном виде как магнитное поле через стенки корпусов и сердечник 24 на преобразователь 21, вырабатывающий два напряжения U_yα, U_xα, пропорциональные косинусной и синусной проекциям векторной суммы токов на ток в цепи эталона 3 по фиг. 1 (первичного преобразователя 1 по фиг. 3).

Источники информации
1. А.М. Туричин. Электрические измерения неэлектрических величин. М.-Л.: Энергия.

2. Там же, с. 477.

3. В. А. Боднер. Приборы первичной информации. М.: Машиностроение, 1981 г., с. 280-284 (прототип).

Изобретение относится к области приборостроения. В процессе измерения физической величины наблюдают за углом сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, имеющих общее начало, лежащих в одной плоскости и развернутых на углы 120^o, два (один) из которых протекают в испытуемых образцах (испытуемом образце), а один (два) протекает через эталон (два эталона) относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи эталона (испытуемого образца). Далее вычисляют измеряемую физическую величину по значениям величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции наблюдаемого угла сдвига или считывают значения измеряемой физической величины со шкалы, отградуированной с учетом величин эталона (эталонов) и тригонометрической функции угла сдвига. При необходимости ограничения мощности электрических цепей первичного преобразователя об угле сдвига вектора индукции магнитного поля судят по отношению двух напряжений, пропорциональных косинусной и синусной проекциям векторной суммы трех токов на вектор тока в цепи эталона (первичного преобразователя). Изобретение позволяет создать аппаратуру для измерения физических величин, характеризующуюся простой конструкцией и повышенной эксплуатационной надежностью. 6 с. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ измерения физических величин, преобразуемых в электрическую емкость, индуктивность или резистивность, заключающийся в том, что испытуемый образец и эталон подключают к источнику переменного или постоянного тока, отличающийся тем, что об измеряемой физической величине судят по углу сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех имеющих общее начало, лежащих в одной плоскости и развернутых между собой на углы 120° токов, два из которых пропускают через соответствующие части испытуемого образца, а один - через эталон, относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи эталона. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что об угле сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи эталона, судят по отношению двух напряжений, пропорциональных косинусной и синусной проекциям векторной суммы трех токов на вектор тока через эталон. 3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее подключенные к источнику переменного или постоянного тока первичный преобразователь физической величины, чувствительным элементом которого является испытуемый образец, и эталон, отличающееся тем, что испытуемый образец состоит из двух частей, связанных, как и эталон, с обмотками преобразователя векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля, при этом упомянутый преобразователь имеет пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны три плоскопараллельные обмотки с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, с равными числами витков и резистивностями и с направлениями намотки, развернутыми между собой на угол 120°, и который сцеплен магнитным полем с анизотропным по углу ферромагнитным телом на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы, отградуированной с учетом величины эталона и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через эталон. 4. Устройство для осуществления способа по п.2, содержащее подключенные к источнику переменного или постоянного тока первичный преобразователь физической величины, чувствительным элементом которого является испытуемый образец, и эталон, отличающееся тем, что испытуемый образец состоит из двух частей, связанных, как и эталон, с обмотками преобразователя векторной суммы трех токов в два напряжения, содержащего пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны пять плоскопараллельных обмоток с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, три из которых, имеющие равные между собой числа витков и резистивности, а направления намотки, развернутые между собой на углы 120°, включены с возможностью протекания по ним токов от частей первичного преобразователя и эталона, наводящих в сердечнике магнитное поле, а две другие обмотки, имеющие равные между собой числа витков и резистивности, а направления намотки, развернутые между собой на угол 90°, с возможностью наведения на них магнитным полем сердечника двух напряжений, связанных с измеряемой физической величиной и эталоном, при этом обмотка, на которой наводится напряжение, пропорциональное косинусной проекции векторной суммы трех токов на ток в цепи эталона, совпадает по направлению намотки с обмоткой, по которой протекает ток от эталона. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в него введен преобразователь двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, содержащий пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранный в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны две плоскопараллельные обмотки с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, с равными между собой числами витков и резистивностями и с направлениями намотки, развернутыми между собой на угол 90°, при этом упомянутый сердечник сцеплен с анизотропным по углу ферромагнитным телом на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы, отградуированной с учетом величин эталона и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через эталон, а в зоне выхода магнитного поля из корпуса преобразователя двух напряжений в вектор индуктивности магнитного поля установлен магнитоуправляемый элемент, например геркон, предназначенный для выдачи сигнала о достижении физической величиной определенного заданного значения. 6. Устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что преобразователь векторной суммы трех токов в два напряжения состоит из связанных магнитным полем через стенки корпусов и кольцевой магнитомягкий сердечник преобразователя трех токов в вектор индукции магнитного поля и преобразователя двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, включенного для работы в обратном направлении. 7. Способ измерения физических величин, преобразуемых в электрическую емкость, индуктивность или резистивность, заключающийся в том, что испытуемый образец и эталон подключают к источнику переменного или постоянного тока, отличающийся тем, что об измеряемой физической величине судят по углу сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, имеющих общее начало, лежащих в одной плоскости и развернутых между собой на углы 120^o, один из которых пропускают через испытуемый образец, а два других - через эталоны, относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи испытуемого образца, при этом значение измеряемой физической величины R_х вычисляют по формулам связи с величинами эталонов R₁ и R₂ типа электрической емкости, индуктивности или проводимости и тригонометрической функцией угла α_x сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока в цепи первичного преобразователя, отсчитываемого по повороту сцепленного с преобразователем магнитным полем анизотропного по углу ферромагнитного тела на оси вращения, перпендикулярной плоскости пластин сердечника:

в диапазоне: 0 <α_x≤ 60^°;

в диапазоне: 60^°≤α_x≤ 120^°;
R_x= 0,5(R₁ + R₂)-(R₂ - R₁)ctgα_x
в диапазоне:
гладко переходящим одна в другую на границах диапазонов при углах: α_x= 60^°; α_x= 120^°, и с учетом условий: R₁ < R₂, α_x= 0, когда цепи с R₁ и R₂ - разомкнуты, или считывают со шкалы, параллельной плоскости пластин сердечника, отградуированной с учетом указанных выше эталонов и тригонометрической функции угла, при наблюдении положения ферромагнитного тела. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что об угле сдвига вектора индукции магнитного поля, наводимого векторной суммой трех токов, относительно вектора индукции магнитного поля, наводимого вектором тока в цепи испытуемого образца, судят по отношению двух напряжений, пропорциональных косинусной и синусной проекциям векторной суммы трех токов на вектор тока через испытуемый образец. 9. Устройство для осуществления способа по п.7, содержащее подключенные к источнику переменного или постоянного тока первичный преобразователь физической величины, чувствительным элементом которого является испытуемый образец, и эталон, отличающееся тем, что эталон состоит из двух частей, связанных, как и испытуемый образец, с обмотками преобразователя векторной суммы трех токов в вектор индукции магнитного поля, при этом упомянутый преобразователь имеет пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны три плоскопараллельные обмотки с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, с равными числами витков и резистивностями и с направлениями намотки, развернутыми между собой на углы 120°, и который сцеплен магнитным полем с анизотропным по углу ферромагнитным телом на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы, отградуированной с учетом величины эталона и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через испытуемый образец. 10. Устройство для осуществления способа по п.8, содержащее первичный преобразователь физической величины, чувствительным элементом которого является испытуемый образец, и эталон, отличающееся тем, что эталон состоит из двух частей, связанных, как и испытуемый образец, с обмотками преобразователя векторной суммы трех токов в два напряжения, содержащего пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранных в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны пять плоскопараллельных обмоток с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, три из которых, имеющие равные между собой числа витков и резистивности, а направления намотки, развернутые между собой на углы 120°, включены с возможностью протекания по ним токов от испытуемого образца и частей эталона, наводящих в сердечнике магнитное поле, а две другие обмотки, имеющие равные между собой числа витков и резистивности, а направления намотки, развернутые между собой на угол 90°, с возможностью наведения на них магнитным полем сердечника двух напряжений, связанных с измеряемой физической величиной и частями эталона, при этом обмотка, на которой наводится напряжение, пропорциональное косинусной проекции векторной суммы трех токов на ток в цепи первичного преобразователя, совпадает по направлению намотки с обмоткой, по которой протекает ток от испытуемого образца. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в него введен преобразователь двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, содержащий пакет круглых пластин из материала типа электротехническая сталь, собранный в изотропный по углу магнитомягкий сердечник, на который намотаны две плоскопараллельные обмотки с плоскостями витков, параллельными центральной оси сердечника, с равными между собой числами витков и резистивностями, а направлениями намотки, развернутыми между собой на угол 90°, при этом упомянутый сердечник сцеплен с анизотропным по углу ферромагнитным телом на оси вращения, перпендикулярной плоскости шкалы, отградуированной с учетом величин частей эталона и тригонометрической функции угла сдвига векторной суммы трех токов относительно вектора тока через испытуемый образец, а в зоне выхода магнитного поля из корпуса преобразователя двух напряжений в вектор индуктивности магнитного поля установлен магнитоуправляемый элемент, например геркон, предназначенный для выдачи сигнала о достижении физической величиной определенного заданного значения. 12. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что преобразователь векторной суммы трех токов в два напряжения состоит из связанных магнитным полем через стенки корпусов и кольцевой магнитомягкий сердечник преобразователя трех токов в вектор индукции магнитного поля и преобразователя двух напряжений в вектор индукции магнитного поля, включенного для работы в обратном направлении.