Способ измерения физической величины
Владельцы патента RU 2427851:
Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. К их числу относятся механические величины, геометрические параметры объектов, физические свойства веществ и др. К ним же относятся также электрофизические, акустические и другие параметры контролируемых объектов (материалов, веществ). Предлагается способ измерения физической величины, при котором возбуждают колебания в резонаторе, определяют его амплитудно-частотную характеристику и вычисляют площадь под ней. Способ заключается в том, что возбуждение колебаний осуществляют на фиксированной частоте, а определение амплитудно-частотной характеристики производят при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах. Возможно возбуждение колебаний в электромагнитном резонаторе и изменение начальной собственной частоты резонатора путем изменения его геометрических или/и электрофизических параметров. Технический результат заключается в упрощении процесса измерения. 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. К их числу относятся механические величины, геометрические параметры объектов, физические свойства веществ и др. К ним же относятся также электрофизические, акустические и другие параметры контролируемых объектов (материалов, веществ).
Известен способ измерения физической величины, заключающийся в размещении контролируемого объекта в резонаторе (колебательном контуре с сосредоточенными параметрами, объемном или открытом ВЧ- или СВЧ-резонаторе, акустическом резонаторе и т.п.) и измерении характеристики этого резонатора. К их числу таких характеристик относятся собственная (резонансная) частота колебаний, добротность резонатора и др., которые могут изменяться в зависимости от физических или (и) геометрических параметров контролируемого объекта. В частности, известен 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 (резонансную) частоту колебаний резонатора.
Известно также техническое решение (RU 2029247, 20.02.1995), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении в резонаторе частотно-модулированных колебаний в фиксированном диапазоне частот и регистрации площади, покрываемой значениями амплитуды при девиации частоты в указанном диапазоне частот, т.е. площади под резонансной кривой. Данный способ характеризуется существенно большей чувствительностью к измеряемому параметру по сравнению со способом, в котором информативным параметром служит резонансная частота колебаний. Недостатком способа-прототипа является его достаточно сложная реализация. Она предполагает наличие генератора частотно-модулированных колебаний, подсоединяемого к резонатору, который обеспечивает девиацию частоты колебаний в достаточно широких пределах, соответствующих возможным значениям резонансной частоты, зависящей от величины измеряемого параметра.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения за счет проведения измерений площади под амплитудно-частотной характеристикой на фиксированной частоте и определения амплитудно-частотной характеристики при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах.
Технический результат в предлагаемом способе измерения физической величины, при котором возбуждают колебания в резонаторе, определяют его амплитудно-частотную характеристику и вычисляют площадь под ней, достигается тем, что при этом возбуждение колебаний осуществляют на фиксированной частоте, определение амплитудно-частотной характеристики производят при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах, а площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению
где 
- начальное значение собственной (резонансной) частоты резонатора, [fp1, fp2] - фиксированные пределы изменения 
, 
- амплитуда колебаний в резонаторе на частоте .
Предлагаемый способ поясняется чертежами. На фиг.1 приведен график зависимости амплитуды колебаний от значения начальной собственной частоты резонатора. На фиг.2 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа. На фиг.3 приведена конструкция датчика уровня жидкости в резервуаре. На фиг.4 - график зависимости относительного значения площади под резонансной кривой от относительного значения уровня жидкости в резервуаре. Здесь введены обозначения: 1 - резонатор, 2 - генератор, 3 - функциональный элемент, 4 - детектор, 5 - интегратор, 6 - регистратор, 7 - датчик уровня 8 - контролируемая жидкость, 9 - подвижная часть длины датчика уровня.
Способ реализуется следующим образом.
Колебания фиксированной частоты f подаются в резонатор 1 от генератора 2. При совпадении этой частоты f с собственной (резонансной) частотой fp резонатора амплитуда колебаний А в нем принимает максимальное значение А0. Согласно предлагаемому способу, как и в способе-прототипе, определяют его амплитудно-частотную характеристику и вычисляют площадь S под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины x. В предлагаемом способе, однако, возбуждение колебаний осуществляют на фиксированной частоте f и определение амплитудно-частотной характеристики производят при изменении в фиксированных пределах [fp1, fp2] начального значения собственной (резонансной) частоты fp резонатора. Значение частоты зависит, в свою очередь, от, по меньшей мере, одного параметра а резонатора, изменяющегося в фиксированных пределах [а
1, a2]: 
. Пределы [fp1, fp2] изменения частоты 
и, соответственно, пределы [а
1, a
2] изменения параметра а резонатора должны соответствовать диапазону возможных значений [х1, x2] измеряемого параметра х. На фиг.1 приведен график функции при изменении частоты в фиксированных пределах [fp1, fp2].
В частности, при измерениях с применением электромагнитного резонатора (с сосредоточенными параметрами, отрезка длинной линии, объемного резонатора и др.) изменяемым параметром а резонатора, влияющим на начальное значение его собственной частоты , может являться какой-либо геометрический параметр резонатора или (и) электрофизический параметр вещества, находящегося в электромагнитном поле резонатора, а также совокупность указанных параметров. При измерениях с применением акустического резонатора изменяемым параметром а резонатора, влияющим на его начальную собственную частоту, может являться его какой-либо геометрический или/и акустический параметр, а также совокупность указанных параметров.
Параметр S представляет собой площадь под резонансной кривой, т.е. площадь, покрываемую значениями амплитуды А при изменении частоты в диапазоне [fp1, fp2]:
Диапазон частот [fp1, fp2] должен соответствовать диапазону частот колебаний, возбуждаемых в резонаторе.
На фиг.2 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа. Здесь в резонаторе 1 с помощью генератора 2 возбуждают колебания на фиксированной частоте f. С помощью функционального элемента 3 производят изменение начального значения собственной (резонансной) частоты fp резонатора 1. Значение частоты изменяется в фиксированных пределах [fp1, fp2] и зависит, в свою очередь, от, по меньшей мере, одного параметра а резонатора, изменяющегося в фиксированных пределах [а
1, а
2]. К выходу резонатора 1 подсоединена цепочка последовательно соединенных детектора 4, интегратора 5 и регистратора 6. В этом регистраторе 6 определяют получаемое на выходе интегратора 5 значение функции S, выражаемой формулой (1), при девиации значения частоты в пределах диапазона частот [fp1, fp2]. Этот частотный диапазон должен соответствовать пределам изменения значений [х1, х2] измеряемого параметра х.
В качестве иллюстрации реализации предлагаемого способа рассмотрим, как и в способе-прототипе, задачу измерения уровня диэлектрической жидкости (контролируемого объекта) в резервуаре с применением высокочастотного (ВЧ) резонатора. Такой ВЧ-резонатор - колебательная система с емкостным коаксиальным датчиком уровня жидкости, располагаемым вертикально в резервуаре, содержащем эту жидкость. На фиг.3 приведена конструкция емкостного датчика уровня 7 (коаксиального конденсатора) контролируемой жидкости 8. Изменение уровня х жидкости приводит к соответствующему изменению информативного параметра - площади S(x) под резонансной кривой (RU 2029247,20.02.1995):
Здесь l - длина коаксиального конденсатора; S0 - значение S при х=0. На фиг.4 приведен экспериментально полученный график зависимости относительного значения площади S(x)/S0 от относительного значения уровня х/l жидкости (RU 2029247, 20.02.1995).
В данном примере - измерении уровня диэлектрической жидкости в резервуаре с применением ВЧ резонатора - для реализации предлагаемого способа с целью изменения начального значения собственной (резонансной) частоты fp резонатора 1 в фиксированных пределах [fp1, fp2] возможно изменять длину l датчика 8 (коаксиального конденсатора) в соответствующих пределах [l1, l2], от значения l-l1 до значения l+l2 (фиг.3). При этом 
. Найдем значение 
в данном случае.
Резонансную частоту fp{x) данного резонатора можно выразить следующей формулой:
где Lэ и Сэ(х) - эквивалентные значения индуктивности и емкости резонатора. При х=0
где Сэп - погонная (т.е. на единицу длины) электрическая емкость датчика. Следовательно
где k=l/(2π√LэCэп)=const. В этом случае формулу (1) можно записать в следующем виде:
Изменение длины l датчика можно обеспечить с применением подвижной, например телескопической, части длины 9 датчика уровня, изменяющейся в пределах [l1, l2] (фиг.3). Такое изменение длины / в схеме устройства на фиг.2 обеспечивает функциональный элемент 3. В данном случае график зависимости относительного значения площади под резонансной кривой от относительного значения уровня жидкости аналогичен графику на фиг.4.
Таким образом, данный способ измерения физической величины характеризуется упрощением процесса измерения за счет проведения измерений площади под амплитудно-частотной характеристикой на фиксированной частоте и определения амплитудно-частотной характеристики при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах. При реализации данного способа не требуется осуществлять девиацию частоты колебаний генератора.
Способ измерения физической величины, при котором возбуждают колебания в резонаторе, определяют его амплитудно-частотную характеристику и вычисляют площадь под ней, отличающийся тем, что возбуждение колебаний осуществляют на фиксированной частоте, определение амплитудно-частотной характеристики производят при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах, а площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению 
где 
- начальное значение собственной (резонансной) частоты резонатора;
[fp1, fp2] - фиксированные пределы изменения fp0;
A(fp0) - амплитуда колебаний в резонаторе на частоте fp0.
