Способ измерения добротности резонатора

Предложенное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения добротности резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. Целью данного изобретения является повышение точности измерения и упрощение аппаратурной реализации измерения. Предложенный способ измерения добротности резонатора основан на возбуждении в нем в полосе частот пропускания колебаний с линейно изменяющейся частотой и последующим определением добротности. При этом контролируют моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению, меняют в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения на противоположное и измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения f_cp и частоту модуляции этого сигнала f_м, а добротность резонатора Q определяют по формуле Q=Kf_срf_м, где К - постоянный коэффициент. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения добротности резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. В частности, оно может быть использовано в радиоволновых резонансных датчиках влажности нефтепродуктов.

Известны различные способы определения добротности резонаторов, суть которых заключается в измерении времени, за которое амплитуда колебаний в резонаторе изменится до определенного значения (Артеменко С.Н., Каминский В.Я., Самойленко Г.М., Татаринов B.C. Измеритель добротности сверхпроводящих СВЧ систем с цифровым отсчетом / Измерительная техника - 1986, - №5. с.51-52; Пудалов В.М. Измерение добротности сверхпроводящих сверхвысокочастотных резонаторов методом декремента / ПТЭ, 1982, - №4, с.160-163).

Недостатком этих способов является то, что они могут быть использованы только для измерения высоких значений добротности (10⁶ и выше), при этом на погрешность измерения существенное влияние оказывает нестабильность частоты сигнала возбуждения и точность измерения временных интервалов.

Известно также техническое решение, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа (пат. РФ №1493958, М.кл.: G01R 27/26). В этом способе-прототипе предлагается на вход резонатора подавать сигнал, модулированный по частоте пилообразным низкочастотным сигналом и низкочастотным гармоническим сигналом с индексом модуляции, соответствующим уменьшению мощности резонансной кривой в 2 раза, и по положению вершины резонансной кривой определять уровень половинной мощности. Добротность затем вычисляется по определенным значениям частот, соответствующим вершине резонансной кривой и уровням половинной мощности.

Недостатками этого способа-прототипа являются сложность его реализации и невысокая точность, обусловленная погрешностью измерения индекса модуляции.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и упрощение аппаратурной реализации измерения.

Поставленная цель в предлагаемом способе измерения добротности резонатора достигается тем, что в нем в полосе частот пропускания возбуждаются колебания с линейно изменяющейся частотой, контролируются моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению и в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения изменяют на противоположное. Затем измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения f_cp и частоту модуляции этого сигнала f_м, а добротность резонатора Q определяют по формуле

Q=Kf_cpf_м,

где К - постоянный коэффициент.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в диапазоне частот, близком к резонансной частоте резонатора, амплитуда колебаний в нем U зависит от частоты сигнала возбуждения f как

где U_m - амплитуда колебаний в резонаторе при резонансе;

f_p - резонансная частота резонатора;

Q - добротность резонатора

(Х.Мейнке, Ф.В.Гундлах. Радиотехнический справочник. Т.1, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960). Если, например, частота сигнала возрастает, то текущее значение амплитуды U проходит через максимальное значение U_m и в некоторый момент времени совпадает с заданным пороговым значением U_n (фиг.1б). В этот момент времени частота сигнала достигает значения f₂ (фиг.1a) и направление изменения этой частоты меняется на противоположное, то есть, частота сигнала начинает убывать. Напряжение U опять проходит через максимум U_m и в момент совпадения с U_n частота сигнала принимает значение f₁ и вновь начинает возрастать и вышеописанный процесс многократно повторяется. Поскольку частота f изменяется по линейному пилообразному закону с периодом модуляции Т_м, а амплитуда U в соответствии с (1) представляет собой последовательность резонансных кривых, симметричных относительно f_p (фиг.1б), то средняя частота сигнала возбуждения, измеренная за целое число полупериодов модуляции, равна f_p.

Решая (1) относительно Q и подставляя в (1) вместо U, f_p и f соответственно U_n, f_cp и f₁ или f₂, получим

где f_1,2 - любое из значений f₁ или f₂, при которых происходит совпадение текущего значения амплитуды U с заданным пороговым значением U_n. Если ввести коэффициент S, который определяется как

(где F_м=1/Т_м - частота модуляции; Т_м - период модуляции) и представляет собой крутизну зависимости частоты f от времени, то с учетом (3) формулу (2) можно преобразовать к виду

Q=Kf_cpF_м,

где

При условии постоянства величины К, что реализовать практически несложно, добротность Q определяется только произведением величин f_cp и F_М.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого изображена на фиг.2. Это устройство состоит из амплитудного детектора 2, усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ) 3, компаратора 4, генератора пилообразного напряжения (ГПН) 5 и генератора, управляемого напряжением (ГУН) 6, который подключен к исследуемому резонатору 1. К ГУН 6 также подключен частотомер 7, а к компаратору 4 - частотомер 8.

Работает устройство следующим образом. При подаче на него напряжения питания ГПН 5 в начальный момент времени вырабатывает линейно возрастающее напряжение, в соответствии с которым изменяется частота сигнала, генерируемого ГУН 6 (фиг.1а). Когда эта частота попадает в полосу пропускания резонатора, то в нем возбуждаются колебания, амплитуда которых изменяется в соответствии с резонансной кривой (фиг.1б). Детектор 2, работающий в линейном режиме, выделяет напряжение, пропорциональное этой амплитуде. Усилитель 3 усиливает это напряжение до значения, достаточного для срабатывания компаратора 4 (т.е. обеспечивает выполнение условия U_m>U_n), а АРУ поддерживает постоянной величину U_m независимо от амплитуды сигнала ГУН 6, величины связи с резонатором 1 и его добротности. Напряжение с выхода усилителя 3 поступает на вход компаратора 4 и в моменты совпадения этого напряжения с пороговым напряжением компаратора последний вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения U_к, фронты которых привязаны к частотам f₁ и f₂ (фиг.1в). От отрицательного фронта импульса компаратора 4 срабатывает ГПН 5 и в этот момент наклон пилы ГПН 5 меняется на обратный и, следовательно, этот процесс многократно повторяется. Таким образом осуществляется слежение за резонансной частотой резонатора 1 f_p, при этом средняя частота ГУН 6 f_cp=f_p.Эта частота измеряется частотомером 7. Импульсы, вырабатываемые компаратором 4, следуют с удвоенной частотой модуляции F_M и эта частота измеряется частотомером 8.

Коэффициент К, знание которого необходимо для вычисления Q по формуле (4), может быть определен экспериментально с использованием эталонного резонатора с известным значением Q либо вычислен по формуле (5), при этом входящие в нее параметры S, U_m и U_n определяются заранее.

На основе предложенного способа измерения добротности в соответствии со структурной схемой фиг.2 был разработан датчик для измерения состава трехкомпонентного потока "газ-нефть-вода". В этом датчике в качестве чувствительного элемента был применен резонатор, выполненный в виде отрезка длинной линии, распределенной по поверхности ограниченного участка трубопровода. Резонансная частота f_p и добротность Q такого резонатора, как свидетельствуют результаты теоретических и экспериментальных исследований, содержат в себе информацию о составе газоводонефтяного потока. Измерение f_p и Q проводилось с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг.2, и затем данные измерений обрабатывались по определенному алгоритму. Результаты обработки выводились на дисплей в реальном масштабе времени в виде процентного содержания каждого компонента газоводонефтяного потока.

Способ измерения добротности резонатора, основанный на возбуждении в нем в полосе частот пропускания колебаний с линейно изменяющейся частотой и последующим определением добротности, отличающийся тем, что контролируют моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению, меняют в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения на противоположное и измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения f_cp и частоту модуляции этого сигнала f_м, а добротность резонатора Q определяют по формуле

Q=Kf_cpf_м,

где К - постоянный коэффициент.