СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF RESONANCE FREQUENCY AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного дистанционного определения резонансных частот электромагнитных резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. В частности, оно может быть использовано в радиоволновых резонансных датчиках влагосодержания нефтепродуктов, концентрации растворов и резонансных уровнемерах различных сред.
Известны различные способы определения резонансных частот, суть одного из которых заключается в том, что в резонаторе коротким импульсом возбуждают свободные колебания и измеряют частоту этих колебаний, которая равна резонансной частоте исследуемого резонатора (А.с. №1659908 А1, М. кл. G01R 27/26). Недостатком этого способа, также как и реализующего его устройства является то, что измерение резонансной частоты возможно только для резонаторов с добротностью не менее 500-1000. Это обстоятельство существенно ограничивает область применения указанных способа и устройства, так как на практике величина добротности резонаторов, особенно используемых в различных датчиках, зачастую не превышает 100.
Известно также техническое решение, которое по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и устройству и принято в качестве прототипа (Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников B.C. Цифровые приборы с частотными датчиками. "Энергия". 1970. С.21). В этом способе-прототипе предлагается на входе резонатора возбуждать электромагнитные колебания, частота которых изменяется в заданном диапазоне, в котором находится резонансная частота исследуемого резонатора. На выходе резонатора фиксируется амплитуда колебаний, и, когда она достигает максимума, развертка останавливается, и в этот момент измеряется частота колебаний, которая равна резонансной частоте. Устройство-прототип, реализующее указанный способ, состоит из перестраиваемого генератора, частотомера и устройства настройки. Задача последнего - настроить генератор на резонансную частоту по максимуму резонансной кривой, после чего включается частотомер, который фиксирует частоту генератора.
Недостатком этих способа и устройства, принятых в качестве прототипа, является то, что они подвержены влиянию на точность измерения резонансной частоты реактивных сопротивлений всех внешних цепей, подключенных к исследуемому резонатору, а именно: линий связи, нагрузки и генератора возбуждения.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения резонансной частоты, обусловленной влиянием реактивных сопротивлений всех внешних цепей, подключенных к исследуемому резонатору, как линий связи, так и генератора и нагрузки, подключенных к этим линиям связи.
1
2
1
2
Поставленная цель в предлагаемом способе измерения резонансной частоты, основанном на возбуждении на входе резонатора электромагнитных колебаний с изменяющейся частотой, фиксации максимальной амплитуды колебаний на выходе резонатора и измерении частоты колебаний f, соответствующей этой максимальной амплитуде, достигается тем, что на входе и выходе резонатора периодически изменяют знак реактивного сопротивления внешних цепей, подключенных к резонатору, при каждом изменении этого знака измеряют частоту f, соответствующую максимальной амплитуде колебаний на выходе резонатора, и резонансную частоту определяют как среднее значение частот f и f.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения резонансной частоты, содержащем последовательно соединенные устройство настройки, перестраиваемый генератор и частотомер, достигается тем, что оно дополнительно содержит два трансформирующих блока, триггер и одновибратор, выход которого подключен к входу сброса частотомера, а вход одновибратора соединен с выходом строб-импульсов частотомера, с управляющим входом устройства настройки и со счетным входом триггера. Выход триггера подключен к управляющим входам обоих трансформирующих блоков, при этом выход перестраиваемого генератора через первый трансформирующий блок подключен к входу резонатора, выход которого через второй трансформирующий блок подключен к входу устройства настройки.
При этом трансформирующий блок выполнен в виде двух коммутаторов и четвертьволнового трансформатора. Первые контакты обоих коммутаторов соединены через четвертьволновый трансформатор, а вторые контакты этих коммутаторов соединены между собой.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря периодическому изменению знака эквивалентного реактивного сопротивления всех внешних цепей, подключенных к резонатору, синхронно изменяется также и знак приращения резонансной частоты, которое обусловлено влиянием этих внешних цепей. При этом абсолютная величина этого приращения остается неизменной. Поэтому среднее значение резонансных частот, соответствующих положительному и отрицательному значению эквивалентного реактивного сопротивления внешних цепей, не зависит от параметров этих цепей, что позволяет свести к минимуму погрешность измерения резонансной частоты, обусловленную влиянием, как самих линий связи, так и других устройств, подключенных с помощью этих линий к резонатору, например, генератора и нагрузки.
г
cв1
св2
н
Более строго это утверждение можно доказать, если рассмотреть общую схему измерения резонансной частоты, представленную в виде эквивалентной схемы (фиг.1), на которой приняты следующие обозначения: 1 - перестраиваемый генератор, имеющий внутреннее сопротивление Z; 2 - входная и выходная линии связи с волновым сопротивлением W; 3 - резонатор, представленный в виде эквивалентного колебательного контура с индуктивностью L, емкостью С и сопротивлением потерь R. X и Х - эквивалентные сопротивления элементов связи на входе и выходе резонатора соответственно; 4 - нагрузка, имеющая сопротивление Z.
л
э
л
св
Схему, изображенную на фиг.1, целесообразно представить в виде более простой эквивалентной схемы (фиг.2), на которой Z - сопротивление линии связи в точке подключения ее к резонатору. Для удобства анализа на фиг.2 резонатора к нагрузке, поскольку влияние обеих линий связи на резонансную частоту можно исследовать независимо друг от друга. Из фиг.2 видно, что полное эквивалентное сопротивление, подключенное непосредственно к колебательному контуру, Z слагается из Z и Х, то есть
э
Целесообразно Z представить в виде эквивалентной проводимости Y, которая в свою очередь состоит из активной проводимости G и реактивной проводимости В:
Очевидно, что
л
Величину Z можно представить в виде суммы
При измерении резонансной частоты всегда стремятся минимизировать влияние внешних цепей на результат измерения, поэтому
э
Учитывая эти неравенства, легко получить приближенное выражение для приращения эквивалентной проводимости ΔY
л
Величина ΔZ также состоит из активной ΔR и реактивной ΔX составляющих,
Для случая емкостной связи внешних цепей с резонатором
где f - частота.
э
Подставляя (7) и (8) в (6) и выделив реактивную составляющую, получим следующее выражение для приращения реактивной проводимости ΔВ:
э
Влияние величины ΔВ на резонансную частоту эквивалентно подключению к резонансному контуру некоторой емкости ΔС, при этом
Используя (9) и (10), ΔС можно представить в виде
Относительное изменение резонансной частоты Δf/f, обусловленное влиянием внешних цепей, можно определить, используя (11) и известное выражение для резонансной частоты колебательного контура LC:
Тогда
Из формулы (13) видно, что изменения резонансной частоты Δf могут быть по знаку как положительными, так и отрицательными в зависимости от знака реактивного сопротивления внешней цепи ΔХ. Поэтому периодическое изменение знака величины ΔХ вызывает соответствующее изменение знака величины Δf. Отсюда следует, что среднее значение резонансной частоты не зависит от реактивного сопротивления внешних цепей, чем и обеспечивается полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
Для реализации предлагаемого способа является важным наличие трансформатора сопротивлений, преобразующего полярность, подключенного к нему реактивного сопротивления. В качестве такого трансформатора сопротивлений может быть использован четвертьволновый отрезок длинной линии, работа которого описывается известным выражением (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М.: Высшая школа. 1970. Стр.218)
где
вых
л
Z - комплексное сопротивление выхода четвертьволнового трансформатора при подключении к входу этого трансформатора сопротивления Z.
вых
вых
Подставляя (4) и (7) в формулу (14) и учитывая неравенство (5), легко показать, что для реактивной составляющей Х выходного сопротивления Z имеет место приближенное равенство
и, следовательно, четвертьволновый трансформатор, выполненный в виде четвертьволнового отрезка длинной линии, обеспечивает возможность преобразования полярности реактивных сопротивлений.
На фиг.3 представлена структурная схема устройства для измерения резонансной частоты. Это устройство состоит из частотомера 1, генератора управляемого напряжением (ГУН) 2, устройства настройки 3, одновибратора 4, триггера 5, двух трансформирующих блоков 9, каждый из которых содержит два коммутатора на два положения 6 и 8 и четвертьволновый трансформатор 7, и исследуемого резонатора 10.
0
1
1
3
1
2
2
3
1
3
2
4
5
5
6
2
2
3
5
6
1
2
1
2
6
1
2
7
u
7
8
u
1
2
Работает это устройство следующим образом. Строб-импульсы с выхода частотомера 1 (фиг.4а) поступают на счетный вход триггера 5, вход запуска устройства настройки 3 и на вход одновибратора 4. Импульсы с выхода триггера в виде меандра (фиг.4б), имеющие длительность, равную периоду следования строб-импульсов, поступают на управляющие входы коммутаторов 6 и 8, и эти импульсы обеспечивают синхронность процессов подключения-отключения четвертьволновых трансформаторов 7. Отрицательными импульсами четвертьволновые трансформаторы включаются в измерительную цепь, а положительными - отключаются. Предположим, что в одном из тактов четвертьволновые трансформаторы 7 отключены и вместо них включены перемычки (замыкатели коммутаторов 6 и 8 на схеме фиг.3 находятся в нижнем положении). В момент времени t положительный фронт строб-импульса поступает на вход запуска устройства настройки 3 и инициирует в нем выработку линейно изменяющегося напряжения, которое подается на управляющий вход ГУН 2 и изменяет его частоту в заданном диапазоне (фиг.4в). На сигнальный вход устройства настройки 3 поступает напряжение, снимаемое с выхода резонатора 10 (фиг.4г), и когда это напряжение в момент времени t достигает максимума, развертка останавливается и в интервале времени t÷t напряжение на входе ГУН 2, также как и его частота сохраняются на постоянном уровне. Частота ГУН в этом интервале времени имеет значение f. В момент времени t отрицательный фронт строб-импульса открывает вход частотомера 1 и в интервале t÷t подсчитывается число импульсов, поступающих с выхода ГУН 2 и имеющих частоту f. В момент времени t положительным фронтом строб-импульса вход частотомера 1 закрывается и подсчет числа импульсов прекращается. В этот же момент времени отрицательный фронт импульса триггера 5 (фиг.46) включает четвертьволновые трансформаторы 7 в измерительную цепь (замыкатели коммутаторов 6 и 8 на схеме фиг.3 находятся в верхнем положении) и эквивалентные реактивные сопротивления, подключенные к входу и выходу резонатора 10, изменяют свою полярность. Одновременно этим же фронтом устройство настройки 3 сбрасывается в исходное состояние и опять настраивается на максимум резонансной кривой, который теперь соответствует частоте f и моменту времени t. Отрицательным фронтом строб-импульса в момент t опять открывается вход частотомера 1, и в интервале t÷t продолжается подсчет числа импульсов, имеющих теперь частоту f. Таким образом в интервалах t÷t и t÷t происходит суммарный подсчет числа импульсов, следующих последовательно с частотой f и f. Благодаря этому происходит усреднение частот f и f. В момент t процесс измерения частот f и f заканчивается и полученное среднее значение частоты запоминается до момента t, определяемого длительностью t положительного импульса, поступающего с выхода одновибратора 4 (фиг.4д). Этот одновибратор запускается отрицательным фронтом строб-импульса. В момент t показания частотомера сбрасываются, и в момент t опять начинается процесс измерения средней частоты. Для корректного выполнения операции усреднения необходимо, чтобы в интервале времени, определяемом длительностью t, всегда находилось четное число интервалов, в которых происходит измерение частот f и f. Поэтому значение этой длительности в общем случае должно удовлетворять условию
u
(2n-0,5)T<t<2nT,
где Т - период следования строб-импульсов.
Предлагаемый способ измерения резонансной частоты и устройство для его осуществления были реализованы при разработке датчика перемещения клапана вентильного устройства. Чувствительный элемент (ЧЭ) этого датчика представляет собой объемный резонатор, собственная частота которого определяется положением клапана в полости вентиля. По условиям эксплуатации вторичный преобразователь датчика должен находиться на расстоянии не менее 100 м от ЧЭ, поэтому длина каждого из кабелей связи, как приемного, так и передающего, составляла также 100 м. На фиг.5 представлены экспериментальные выходные характеристики этого датчика, т.е. зависимости резонансной частоты ЧЭ f от положения клапана х. При этом кривая 1 была получена при измерении резонансной частоты с помощью устройства, аналогичного прототипу, а кривая 2 - с помощью предлагаемого способа и устройства. Из фиг.5 видно, что кривая 1 имеет волнообразный характер, что обусловлено влиянием на резонансную частоту ЧЭ кабелей связи большой длины. Это влияние имеет место, особенно когда длина этих кабелей превышает резонансную длину волны ЧЭ. По данным экспериментальных исследований погрешность измерения резонансной частоты для предлагаемых способа и устройства при длине кабелей связи 100 м и резонансной частоте ЧЭ, находящейся в диапазоне 26÷32МГц, составила 1%, а для устройства прототипа при тех же условиях - 6%.