Способ измерения физической величины



Способ измерения физической величины
Способ измерения физической величины

 


Владельцы патента RU 2579359:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин. Согласно способу возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте. При изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах [ f p 1 , f p 2 ] определяют его амплитудно-частотную характеристику, вычисляют площадь под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины. Причем в качестве резонатора применяют волноводный резонатор с оконечной нагрузкой с реактивным сопротивлением Хн, площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению , где - начальное, при номинальном значении измеряемой физической величины, значение Хн, [Хн1, Хн2] - фиксированные пределы изменения Хн0, соответствующие фиксированным пределам [ f p 1 , f p 2 ] , - амплитуда колебаний в волноводном резонаторе при величине Хн0 оконечной нагрузки. Технический результат заключается в упрощении процесса измерения. 2 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 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-, СВЧ-резонаторе и др.) и измерении характеристики этого резонатора (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. Стр. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. Стр. 168-177). К 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.

Известен также способ измерения (RU 2029247, 20.02.1995), который 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 этого способа 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.

Известно также техническое решение (RU 2427851, 27.08.2011), 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 на фиксированной частоте, определении амплитудно-частотной характеристики при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах и регистрации площади, покрываемой значениями амплитуды, т.е. площади под резонансной кривой.

Недостатком способа-прототипа является достаточно сложная реализация, которая при измерениях с применением волноводных резонаторов может быть упрощена: изменение начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах возможно в данном случае производить путем измерения параметров оконечной нагрузки такого резонатора.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения физической величины достигается тем, что возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте, при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах [fp1, fp2] определяют его амплитудно-частотную характеристику, вычисляют площадь под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины, в качестве резонатора применяют волноводный резонатор с оконечной нагрузкой с реактивным сопротивлением Хн, площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению , где - начальное, при номинальном значении измеряемой физической величины, значение Хн, [Хн1, Хн2] - фиксированные пределы изменения Хн0, соответствующие фиксированным пределам [fp1, fp2], - амплитуда колебаний в волноводном резонаторе при величине Хн0 оконечной нагрузки.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведен график зависимости амплитуды колебаний от начального значения реактивного сопротивления оконечной нагрузки волноводного резонатора.

На фиг. 2 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Здесь показаны волноводный резонатор 1, волновод 2, оконечная нагрузка 3, генератор 4, функциональный элемент 5, детектор 6, интегратор 7, регистратор 8.

Способ реализуется следующим образом.

Колебания фиксированной частоты f подаются в волноводный резонатор от генератора фиксированной частоты. При совпадении этой частоты f с собственной (резонансной) частотой fp волноводного резонатора амплитуда А колебаний в нем принимает максимальное значение A0. Согласно предлагаемому способу, как и в способе-прототипе, возбуждение колебаний осуществляют на фиксированной частоте f, определяют его амплитудно-частотную характеристику при изменении в фиксированных пределах [fp1, fp2] начального значения собственной (резонансной) частоты fp волноводного резонатора и вычисляют площадь S под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины х. В предлагаемом способе в качестве резонатора применяют волноводный резонатор 1, образованный волноводом 2 с оконечной нагрузкой 3, имеющей реактивное сопротивление Хн. От величины Хн зависит значение частоты волноводного резонатора. В общем случае оконечной нагрузкой волноводного резонатора может являться комплексное сопротивление Zн=Rн+jХн, где Rн - активная составляющая Zн. Именно реактивная составляющая Хн комплексного сопротивления Zн влияет на значение и ее изменение при изменении Хн.

Пределы [fp1, fp2] изменения частоты и, соответственно, пределы [Хн1, Хн2] изменения начального значения величины Хн должны соответствовать диапазону возможных значений [х1, х2] измеряемой физической величины х. На фиг. 1 приведен график функции при изменении в фиксированных пределах [Хн1, Хн2], соответствующих пределам [fp1, fp2] изменения частоты . Максимальное значение амплитуды А=А0 имеет место при значении , то есть на частоте , равной фиксированной частоте f генератора.

При измерениях с применением волноводного резонатора (отрезка длинной линии, объемного волноводного резонатора и др.) изменяемым параметром резонатора, влияющим на начальное значение его собственной частоты , может являться, в частности, какой-либо геометрический параметр оконечной нагрузки резонатора или (и) электрофизический параметр вещества, находящегося в электромагнитном поле этой оконечной нагрузки, а также совокупность указанных параметров. Для волноводного резонатора с колебаниями волноводных типов Hmnp или Emnp известны и применяются реактивные компоненты, в частности диафрагмы емкостного и индуктивного типа в волноводах (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. С. 334-340). Такая реактивная компонента может быть в данном случае оконечной нагрузкой волноводного резонатора, ей можно управлять и изменять, тем самым, значение .

Однако проще и эффективнее осуществить электрически управляемую перестройку в фиксированных пределах [Хн1, Хн2] значения и, следовательно, произвести изменение (частотную модуляцию) частоты волноводного резонатора в соответствующих пределах [fp1, fp2]. В частности для волноводного резонатора в виде отрезка длинной линии с колебаниями типа ТЕМ в качестве такого модулятора может быть применена оконечная нагрузка в виде электрически управляемого сосредоточенного реактивного сопротивления Хн - переменной индуктивности L или переменной емкости С. При этом, соответственно, Хн=2πfL, Хн=1/2πfC. Наличие на конце отрезка однородной длинной линии индуктивности L эквивалентно удлинению короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии на величину , а наличие емкости С - эквивалентно удлинению разомкнутого на конце отрезка длинной линии на величину . В этих формулах с - скорость света, W - волновое (характеристическое) сопротивление длинной линии (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. С. 10-29, 42-50).

В качестве переменной емкости С может быть применен, в частности, диод с управляемой емкостью - варикап (Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М.: Радио и связь. 1986. 184 с).

Следовательно, изменяя величину оконечной реактивной нагрузки отрезка длинной линии - индуктивности L в пределах [L1, L2] или емкости С в пределах [С1, С2], соответствующих пределам [fp1, fp2] изменения частоты волноводного резонатора - отрезка длинной линии, можно при фиксированной частоте f генератора производить измерение площади S под соответствующей резонансной кривой и, следовательно, определить искомое значение х измеряемой физической величины.

Параметр S представляет собой площадь под амплитудно-частотной характеристикой - резонансной кривой, т.е. площадь, покрываемую значениями амплитуды А при изменении величины в диапазоне [Хн1, Хн2], соответствующем диапазону изменения начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах [fp1, fp2]:

Диапазон [Хн1, Хн2] должен соответствовать диапазону частот колебаний [fp1, fp2], возбуждаемых в резонаторе на фиксированной частоте f генератора.

На фиг. 2 приведена схема устройства для реализации предлагаемого способа. Здесь волноводный резонатор 1 содержит волновод 2, который имеет на конце оконечную нагрузку 3. С помощью генератора 4 в волноводном резонаторе 1 возбуждают электромагнитные колебания на фиксированной частоте f. С применением функционального элемента 5 производят изменение начального (т.е. при некотором номинальном значении х0 измеряемой физической величины х) реактивного сопротивления Хн оконечной нагрузки 3 волноводного резонатора 1. Значение изменяется в фиксированных пределах [Хн1 и Хн2] и зависит, в свою очередь, от, по меньшей мере, одного параметра а оконечной нагрузки резонатора, изменяющегося в фиксированных пределах [а1, а2] с применением функционального элемента 4. К выходу резонатора 1 подсоединена цепочка последовательно соединенных детектора 6, интегратора 7 и регистратора 8. В регистраторе 8 определяют получаемое на выходе интегратора 7 значение функции S, выражаемой формулой (1), при девиации значения в пределах диапазона [Xн1, Хн2]. Этот диапазон должен соответствовать пределам изменения значений [х1, х2] измеряемой физической величины x.

Таким образом, данный способ измерения физической величины характеризуется упрощением процесса измерения с применением волноводного резонатора за счет проведения измерений площади под амплитудно-частотной характеристикой на фиксированной частоте при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах вследствие изменения начального значения оконечной реактивной нагрузки резонатора.

Способ измерения физической величины, при котором возбуждают колебания в резонаторе на фиксированной частоте, при изменении начальной собственной частоты резонатора в фиксированных пределах определяют его амплитудно-частотную характеристику, вычисляют площадь под ней, по которой судят о значении измеряемой физической величины, отличающийся тем, что в качестве резонатора применяют волноводный резонатор с оконечной нагрузкой с реактивным сопротивлением Хн, площадь под амплитудно-частотной характеристикой находят согласно соотношению , где Xн0 - начальное, при номинальном значении измеряемой физической величины, значение Хн, [Xн1, Xн2] - фиксированные пределы изменения Xн0, соответствующие фиксированным пределам , A(Xн0) - амплитуда колебаний в волноводном резонаторе при величине Хн0 оконечной нагрузки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к наноэлектронике и наноэлектромеханике. Заявленный кварцевый реактор для исследования температурной зависимости электрического сопротивления высокорезистивных объектов, преимущественно, пленочных образцов из нанокомпозиционных материалов, содержит корпус, на внешней поверхности которого бифилярно намотан резистивный нагреватель; внутри корпуса на растяжках, выполненных в виде пружин из вольфрамовой проволоки, установлены C-образные зажимы с плоскими губками для размещения исследуемого образца, выполненные из вольфрамовой проволоки, причем в стенке корпуса, в центральной его части, установлена термопара с возможностью измерения температуры упомянутого образца, размещаемого в C-образных зажимах.

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано в различных областях наноиндустрии. Заявлен способ исследования температурной зависимости электрического сопротивления пленочных образцов при нагреве.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает преобразование измеряемой электрической величины и отсчет измеренной электрической величины.

Способ определения параметров прибора СВЧ, включающий измерение в n точках рабочей полосы частот его комплексных параметров рассеяния, моделирование его в рабочей полосе частот в виде эквивалентной схемы, содержащей активные и реактивные элементы, каждый из которых описывают соответствующим параметром, не зависящим от частоты, определение собственно параметров посредством математической процедуры.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, емкости и напряжения. Микроконтроллерный измерительный преобразователь сопротивления, емкости и напряжения в двоичный код содержит четыре резистора, два генератора, управляемые напряжением и снабженные входами разрешения генерирования, и микроконтроллер; первые выводы резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам микроконтроллера, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу управления напряжением первого генератора, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу управления напряжением второго генератора, выходы генераторов подключены к счетным входам встроенных в микроконтроллер первого и второго двоичных счетчиков.

Изобретение относится к области эксплуатации автомобильной техники и может быть использовано для диагностирования работоспособности электрической проводки автомобильной техники и поиска неисправностей при ремонте.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения неэлектрических величин резистивными датчиками.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения емкости и активного сопротивления, и может быть использовано в средствах для измерения и контроля неэлектрических величин емкостными и резистивными датчиками и передачи результата измерения по радиоканалу.

Техническое решение относится к технике резонансных радиотехнических измерений для вычисления и мониторинга комплексной диэлектрической проницаемости материалов.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для ответвления и регистрации прямой и отраженной микроволновой мощности в квазиоптическом зеркальном тракте большой мощности (1-500 кВт) при длительности импульса СВЧ 1-100 мс, в диапазоне частот 30-80 ГГц.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к строительству воздушных линий электропередачи и заземляющих устройств. Для проектирования и строительства линий электропередачи проводятся изыскательские работы, при этом исследуется местность, определяются характеристики грунта, в том числе электрическое сопротивление земли. Для измерений электрического сопротивления земли в котловане предложена упрощенная конструкция измерительного устройства, состоящего из двух симметрично изогнутых штанг, соединенных шарниром. На штангах закрепляются измерительные электроды, штепсельные разъемы и провода, соединяющие их. Для измерений устройство устанавливается в котлован, подключаются измерительные приборы, с помощью рукояток штанги разводятся к стенкам котлована, электроды внедряются в землю, производятся измерения. Техническим результатом является повышение точности измерений электрического сопротивления земли, снижение массы измерительного устройства и времени, затрачиваемого на измерения. При этом предлагается измерять электрическое сопротивление непосредственно в котловане перед установкой опоры, а результаты измерений использовать при монтаже заземляющего устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля и определения динамических метрологических характеристик при производстве и эксплуатации токовых шунтов. Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов содержит источник импульсного тока, в котором к первому выводу вторичной обмотки повышающего сетевого трансформатора (СТ) подключен однополупериодный выпрямитель, к которому через резисторный ограничитель тока заряда подключен накопитель энергии, соединенный со вторым выводом вторичной обмотки повышающего СТ. К резисторному ограничителю тока заряда подключен первый электрод коммутатора. Первичная обмотка повышающего СТ подключена к источнику напряжения переменного тока. Через контактные клеммы тестируемый токовый шунт подключен ко второму электроду коммутатора и второму выводу вторичной обмотки повышающего СТ. Эталонный трансформатор тока размещен между тестируемым токовым шунтом и контактными клеммами. Блок регистрации и обработки сигнала содержит первый и второй АЦП, первый и второй блоки быстрого преобразования Фурье (ББПФ), блок функционального преобразования, вычислительное устройство, дисплей, которые подключены к общей цифровой шине данных. Первый АЦП подключен к потенциальному выходу тестируемого токового шунта и к первому ББПФ. Второй АЦП подключен к выходу эталонного трансформатора тока и к второму ББПФ, который соединен с блоком функционального преобразования. Блок регистрации и обработки сигнала дополнительно содержит блок формирования треугольного импульса и блок сравнения спектров, которые подключены к общей цифровой шине данных. Блок формирования треугольного импульса подключен к входам первого и второго АЦП, а блок сравнения спектров подключен к выходам первого и второго ББПФ. Технический результат заключается в снижении влияния искажения спектра преобразуемых сигналов на определяемые амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики тестируемого шунта и уменьшение погрешности численных преобразований над спектрами на частотах, соответствующих высоким гармоникам спектров. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли». Согласно заявленному способу цикл измерения состоит из двух полуциклов. В начале первого полуцикла к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, по двум измеренным значениям напряжения вычисляют эквивалентную емкость и длительность интервала времени, необходимого для окончания переходного процесса. В соответствии с этим устанавливают временные интервалы процесса измерения. В конце первого полуцикла запоминают значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети. В начале второго полуцикла изменяют направление тока источника регулируемого постоянного тока, производят аналогичные действия и обрабатывают результаты измерений по формуле, вычисляя величину сопротивления изоляции сети. Устройство для измерения сопротивления изоляции электрических сетей реализует указанный способ. Устройство содержит блок управления, первый блок управляемого тока, второй блок управляемого тока, блок подсоединения, регулируемый источник напряжения, блок фильтрации, блок измерения тока, блок измерения напряжения, блок вычисления емкости, блок формирования интервалов времени и выходное устройство. Технический результат заключается в уменьшении времени измерения сопротивления изоляции при наличии в контролируемой сети малых емкостей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для оценки функционального состояния организма. Способ определения составляющих импеданса биологического объекта состоит в измерении напряжения на биообъекте на границах диапазона, при этом определяют активное сопротивление и эквивалентную емкость тканей биообъекта по информативным параметрам амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), а именно - предельному напряжению и резонансной частоте, которые определяют по двум значениям напряжений на двух фиксированных частотах, являющихся границами диапазона. Из отношения предельного напряжения к резонансной частоте находят предельный ток исследуемой АЧХ, информативные и искомые параметры которой нормируют относительно эталонной АЧХ за счет определения известных составляющих импеданса образцового биологического объекта. Использование изобретения позволяет повысить точности измерения составляющих комплексного сопротивления биообъекта. 4 ил., 1 табл.
Наверх