Способ измерения физической величины



Способ измерения физической величины
Способ измерения физической величины
Способ измерения физической величины
Способ измерения физической величины
Способ измерения физической величины

 


Владельцы патента RU 2606807:

Федеральное государственное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических величин, в частности механических величин, геометрических параметров объектов и физических свойств веществ. При реализации способа измерения физической величины с помощью датчика определяют значение его выходной величины в зависимости от значения входной физической величины в соответствии с функцией преобразования датчика, причем функцию преобразования датчика изменяют как функцию входной и выходной величин. Техническим результатом изобретения является расширение области применения. 9 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).

Известны способы измерения физической величины, согласно которым с помощью датчиков определяют зависимость их выходной величины от значения входной величины в соответствии с функцией преобразования датчиков, являющейся неизменной, зависящей от физического принципа функционирования датчиков, их характеристикой (Измерение электрических и неэлектрических величин: Учебное пособие для вузов / Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скугоров; под общ. ред. Н.Н. Евтихтева. М.: Энергоатомиздат. 1990. 352 с. С. 22-25).

Известно также техническое решение (Датчики: Справочное пособие / Шарапов В.М., Полищук Е.С., Кошевой Н.Д., Ишанин Г.Г., Минаев И.Г., Совлуков А.С. / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. - Москва: Техносфера, 2012. 624 с. С. 42-47), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу измерения и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в определении с помощью датчика значения y его выходной величины в зависимости от ее значения x входной физической величины, подлежащей измерению, в соответствии с функцией преобразования датчика. Недостатком этого способа измерения является ограниченная область применения, обусловленная неизменностью функции преобразования датчика, которая, в свою очередь, зависит от физического принципа действия датчика. Во многих практических задачах эта функция преобразования не позволяет производить измерения с достаточной чувствительностью к конкретному измеряемому параметру (физической величине), в частности, не во всем диапазоне его изменения из-за нелинейности функции преобразования.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения физической величины, при котором с помощью датчика определяют значение y его выходной величины в зависимости от значения x физической величины в соответствии с функцией преобразования датчика, достигается тем, что изменяют функцию преобразования датчика как функцию а(x) входной величины, или как функцию b(y) выходной величины, или как функцию входной а(x) и выходной b(y) величин.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена схема воздействия измеряемой величины на функцию преобразования датчика, соответствующая зависимости (1).

На фиг. 2 приведен график зависимости y(x), соответствующий этому случаю, характеризуемому повышенной чувствительностью датчика.

На фиг. 3 приведен график зависимости y(x), соответствующий этому случаю, характеризуемому изменением знака чувствительности датчика.

На фиг. 4 приведена схема воздействия измеряемой величины на функцию преобразования датчика, соответствующая зависимости (3).

На фиг. 5 приведена схема воздействия выходной величины на функцию преобразования датчика, соответствующая зависимости (5).

На фиг. 6 приведена схема воздействия измеряемой величины и выходной величины на функцию преобразования датчика, соответствующая зависимости (7).

На фиг. 7 приведен пример устройства для реализации способа измерения.

На фиг. 8 и фиг. 9 приведены графики, поясняющие работу устройства на фиг. 7.

Здесь показаны датчик 1, конструктивные элементы датчика 2 и 3, контролируемое вещество 4, резонатор 5, сильфон 6.

Способ реализуется следующим образом.

При неизменной функции преобразования датчика функциональная связь выходной величины y от измеряемой величины x выражается следующим соотношением:

где а - коэффициент (или совокупность коэффициентов), определяемый параметрами датчика.

Чувствительность датчика

На фиг. 1 приведена схема воздействия измеряемой величины на функцию преобразования датчика 1, соответствующая зависимости (1).

Если же коэффициент а (или хотя бы один из их совокупности) является функцией входной (измеряемой) величины x, то есть а=а(x), то

Тогда чувствительность датчика

где - изменение чувствительности благодаря наличию зависимости а(x).

Варьируя изменение ΔSx, можно управлять поведением чувствительности S. Если ΔSx имеет тот же знак, что и S0, то . На фиг. 2 приведен график зависимости y(x), соответствующий этому случаю, характеризуемому повышенной чувствительностью датчика. Здесь линия 1 соответствует датчику с неизменной функцией преобразования (1) а линия 2 - датчику с функцией преобразования (3), когда .

Если S0 и ΔSx имеют разный знак и , то знак чувствительности S изменяется на противоположный. На фиг. 3 приведен график зависимости y(x), соответствующий этому случаю, характеризуемому изменением знака чувствительности датчика. Здесь линия 1 соответствует датчику с неизменной функцией преобразования (1) а линия 2 - датчику с функцией преобразования (3), когда .

Зависимости (3) и (4) соответствуют датчикам, функция преобразования которых перестраивается под влиянием измеряемой величины x.

На фиг. 4 приведена схема воздействия измеряемой величины x на функцию преобразования датчика 1, соответствующая зависимости (3), с применением конструктивного элемента датчика 2, коэффициент а (или совокупность коэффициентов), которого определяется параметрами датчика и функционально связаны с измеряемой величиной x. Возможность ее реализации определяется физическими особенностями конструкции датчика, наличием у него соответствующих элементов, параметры которых функционально связаны с x.

Если функция преобразования датчика изменяется под воздействием выходной величины y, то есть состав датчика входит элемент (элементы), характеризуемый коэффициентом b(y), то в этом случае

Соответственно, чувствительность S датчика в этом случае есть

где . Из (6) следует, что , если 0<ΔSy<1. Знаки S и S0 здесь одинаковые. Из (6) также следует, что, переходя через значение ΔSy=1, знак чувствительности изменяется, если ΔSy>1. Если же 1<ΔSy<2, то . (знаки S и S0 здесь противоположные). Схема воздействия x и y для этого случая показана на фиг. 5, с применением конструктивного элемента датчика 3, коэффициент b (или совокупность коэффициентов) которого определяется параметрами датчика и функционально связаны с выходной величиной y. Возможность ее реализации определяется физическими особенностями конструкции датчика, наличием у него соответствующих элементов, параметры которых функционально связаны с y.

Если вид функции преобразования датчика изменяется под влиянием измеряемой величины x и выходной величины y, то есть

то

Это означает, что датчик содержит элементы, зависимость параметров которых от входной и выходной величин характеризуется коэффициентами а(x) и b(y). Эти элементы могут быть разными, с зависящими раздельно только от x и только от y параметрами, или одними и теми же, изменяющими свои параметры под влиянием и x, и y. При этом (при одинаковых знаках S и S0), если

1) ΔSx/S0+ΔSy>0, если ΔSy<1;

2) ΔSx/S0+ΔSy<0, если ΔSy>1.

Будем иметь , но с разными знаками S и S0, если

1) ΔSx/S0+ΔSy<-2, ΔSy<l;

2) ΔSx/S0+ΔSy>-2, ΔSy>l.

На фиг. 6 приведена схема, соответствующая зависимости (7), с применением конструктивных элементов датчика 2 и 3, коэффициенты а и b (или совокупность коэффициентов) которых, соответственно, определяются параметрами датчика и функционально связаны с, соответственно, величинами x и y. Возможность ее реализации определяется физическими особенностями конструкции датчика, наличием у него соответствующих элементов, параметры которых функционально связаны с x и y.

В качестве примера реализации данного способа измерения рассматривается радиоволновое измерительное устройство для измерения уровня вещества в металлической полости. Сама эта полость является датчиком уровня x контролируемого вещества 4 в виде волноводного резонатора 5 (фиг. 7). Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты электромагнитных колебаний какого-либо, в частности низшего, типа, изменяющаяся при заполнении полости резонатора 5 контролируемым веществом 4. Параметром а(x) датчика, который поставлен в зависимость от уровня x (массы) вещества в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина l.

Если выполнить боковые стенки резонатора из упругого материала, например, в виде сильфона 6, и подвесить резонатор, закрепив его в его верхней части, то тем самым обеспечивается соответствие степени заполнения веществом полости-резонатора ее длине. То есть роль коэффициента а(x) в соотношении (3) и на фиг. 4 играет длина l(x) резонатора, изменяющегося под действием веса полости с веществом. Тем самым изменяется функция преобразования датчика в соответствии с соотношением (3). Реализация данного устройства осуществляется в соответствии с зависимостью (3) согласно схеме на фиг. 4. В данном устройстве параметром а(x) датчика, который изменяется в зависимости от x, является длина l(x) волноводного резонатора.

На фиг. 8 показан характер зависимости для резонатора с неизменной длиной l (линия 1) и для резонатора с зависящей от входной величины x длиной l(x) (линия 2) при заполнении этих резонаторов диэлектрическим веществом. Выбором материала боковых стенок резонатора можно увеличить чувствительность датчика, в принципе, до любого значения.

Если такой резонатор заполнить электропроводным веществом, то выбором материала стенок резонатора можно изменить знак чувствительности: с увеличением степени заполнения резонатора его резонансная частота не увеличивается, как это было бы при неизменной длине (фиг. 9, линия 1), а уменьшается (линия 2). Изменение чувствительности ΔSx, вызванное таким изменением функции преобразования датчика, имеет противоположный знак по сравнению с чувствительностью S0 датчика с неизменной функцией преобразования и превышает ее по абсолютной величине. Графики на фиг. 8 и фиг. 9 не показывают возможную нелинейность кривых, а поясняют качественно характер указанных зависимостей.

Если рассматриваемый датчик заполняют электропроводным веществом, то объем полости V0 является функцией объема V данного вещества в ней, уменьшаясь при увеличении V. Поэтому

где - начальное (при V=0) значение резонансной частоты резонатора. Следовательно

где V - объем вещества в полости резонатора, V0 - начальный (при V=0) объем полости резонатора, - чувствительность датчика с неизменной функцией преобразования (V0=const), .

Поскольку , , , то S0>0, ΔSx<0. Таким образом, при чувствительность датчика сохраняет знак, но S<S0. Если же , то чувствительность S датчика изменяет знак на противоположный, то есть S<0, и с возрастанием уровня электропроводного вещества в полости резонансная частота резонатора уменьшается (см. фиг. 9, линия 2). Если, более того, , то чувствительность S, имея противоположный S0 знак, возрастает с увеличением V, превосходя S0 по модулю.

Пусть, например, волноводный резонатор выполнен в виде четвертьволнового отрезка длинной линии (коаксиальной, двухпроводной и др.). Данный отрезок длинной линии короткозамкнут на его нижнем конце. Здесь имеет место изменение длины l(x) отрезка длинной линии, которая увеличивается при увеличении уровня x вещества в полости. Выходным (информативным) параметром датчика служит зависимость резонансной (собственной) частоты электромагнитных колебаний резонатора от уровня x вещества в рассматриваемой полости-резонаторе.

Для данного резонатора, заполняемого электропроводным веществом, зависимость резонансной частоты от уровня x вещества в полости выражается следующей формулой:

Следовательно, для чувствительности S такого датчика имеем следующее выражение:

Здесь . Эта величина соответствует датчику с длиной l(x)=l=const; .

Из (12) следует, что при знаки значений S и S0 чувствительности противоположные. При также следует, что . Этому случаю соответствует график на фиг.

Условие выполняется, например, если l(x)=ах, а>1. Условие выполняется, если l(x)=bx, b>2.

Выполнение этих условий можно обеспечить выбором параметров упругого элемента (пружины, сильфона и т.п.), изменяющего длину данного датчика уровня по мере его заполнения контролируемым веществом.

Таким образом, наличие у датчика элемента (элементов), изменяющих функцию преобразования датчика под воздействием x и/или y, обеспечивает управление этой функцией преобразования и возможность синтеза датчиков с заданной функцией преобразования. Управлением функцией преобразования датчика достигается повышение чувствительности до требуемой величины и изменение ее знака, если это необходимо. Последнее обстоятельство может изменить общепринятое представление о характере функциональной связи различных величин. Технический результат достигается при всех указанных в формуле изобретения альтернативах.

Способ измерения физической величины, при котором с помощью датчика определяют значение его выходной величины в зависимости от значения физической величины в соответствии с функцией преобразования датчика, отличающийся тем, что изменяют функцию преобразования датчика как функцию входной и выходной величин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении одноосных и трехосных измерителей параметров движения - угловых скоростей и линейных ускорений для инерциальных навигационных систем и пилотажных систем управления подвижных объектов.

Настоящее изобретение относится к передающим устройствам параметра процесса, используемым в промышленных системах управления технологическими процессами и системах мониторинга, и может использоваться для контроля промышленных процессов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения плотности жидкости. В предложенном в изобретении способе, или системе измерения, соответственно, предусмотрен контактирующий с жидкостью (FL) вибрационный корпус (10), который приводится в состояние вибрации таким образом, что он испытывает, по меньшей мере, частично, механические колебания с резонансной частотой (резонансные колебания), зависящей от плотности жидкости, контактирующей с первой поверхностью (10+) вибрационного корпуса, а также от температуры вибрационного корпуса.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценивания температуры окружающей среды вокруг дисплейного устройства. Предложены дисплейное устройство, которое обеспечивает возможность точного оценивания температуры окружающей среды вокруг дисплейного устройства, носитель записи и способ оценивания температуры окружающей среды.
Изобретение относится к способам определения коэффициента температурного расширения газа. При реализации предложенного способа на трубу, по которой осуществляется подача газа, устанавливают два счетчика, причем один из указанных счетчиков имеет температурный компенсатор, а второй - не имеет температурного компенсатора.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры объекта. Представлены варианты системы инфракрасного (ИК) измерения температуры.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки техники, связанных с измерением перепада давления среды.

Изобретение относится к области магнитных измерений и может быть использовано для измерений компонент и полного вектора индукции магнитного поля Земли. Сущность изобретения заключается в том, что предлагается способ определения температурных характеристик трехкомпонентного магнитометра (ТМ), в котором нагреванием или охлаждением ТМ в заданном диапазоне температур оказывают на него воздействие температуры до полного установления ее внутри ТМ для необходимого количества значений диапазона температур и при каждом значении определяют параметры характеристики преобразования ТМ ориентацией его геометрических осей относительно осей опорной системы координат. Затем по результатам определения параметров при соответствующих температурах вычисляют его температурные характеристики. При этом измерение параметров характеристики преобразования ТМ осуществляют ориентацией его геометрических осей в магнитном поле Земли относительно осей базовой плоскости с помощью немагнитного поворотного устройства прямоугольной формы, а тепловое воздействие на ТМ осуществляют теплоемким телом поворотного устройства, которое с внешних сторон теплоизолируют после его нагрева или охлаждения. Также предложено устройство для определения температурных характеристик трехкомпонентного магнитометра (ТМ), содержащее немагнитное поворотное устройство, камеру тепла и холода, подключенный к выходу испытуемого ТМ персональный компьютер, датчик температуры и подключенный к его выходу измеритель температуры, выход которого подключен ко второму входу персонального компьютера. Причем поворотное устройство прямоугольной формы выполнено из немагнитного материала, являющегося теплоемким телом, ребра которого коллинеарны соответствующим осям его собственной ортогональной системы координат. Поверхность расположения поворотного устройства в рабочем положении является базовой плоскостью, ориентированной собственными осями относительно вектора индукции магнитного поля Земли, причем на большей части поверхности каждой грани поворотного устройства выполнено равномерное прямоугольное углубление, в которое вставляется теплоизоляционная накладка, а остальная ребристая часть поверхности грани в виде узких полос по всему периметру углубления, прилегающих к ребрам поворотного устройства, покрыта тонким слоем нетеплопроводного покрытия (краской). Внутри теплоемкого тела поворотного устройства установлен температурный датчик, а также предусмотрено место и крепление для установки и фиксации испытуемого ТМ с направлением его собственных осей коллинеарно соответствующим осям системы координат поворотного устройства. Технический результат - упрощение средств определения температурных характеристик ТМ, обеспечивающих точность их температурной калибровки. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх