УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА
MEASURING DEVICE OF PHYSICAL PARAMETERS OF OBJECT

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических параметров объектов. К числу таких параметров относятся: геометрические параметры (толщина листов; диаметр труб, стержней и др.) готовых и производимых изделий, уровень веществ в емкостях, физические свойства (плотность, влагосодержание и др.) веществ (жидкостей, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам; расстояние до какого-либо объекта и т.п.
Известно устройство для определения физических параметров объектов (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. С.125-128). Оно содержит датчик, представляющий собой волновод, у которого чувствительным элементом является одна из торцевых областей. В зависимости от геометрических или (и) электрофизических параметров контролируемого объекта тот или иной информативный параметр датчика, в частности, как в данном техническом решении, собственная (резонансная) частота его электромагнитных колебаний принимает соответствующую величину. Недостатком такого устройства является его невысокая чувствительность, что вызывает затруднения при проведении прецизионных измерений.
Известно также техническое решение (SU 1741033, 15.06.1992), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит датчик в виде радиоволнового резонатора, содержащего в своей конструкции трехплечий циркулятор. Одно из его боковых плеч содержит чувствительный элемент, воспринимающий полезную информацию. В зависимости от типа чувствительного элемента можно осуществлять контактные или бесконтактные измерения. Два других плеча циркулятора подсоединены к частях волноводного резонатора.
Недостатком данного устройства является его невысокая чувствительность. Она обусловлена тем, что лишь малая часть длины такого резонатора служит для получения полезной информации о физических параметрах объекта. Лишь в этой части имеет место изменение характеристик распространения электромагнитных волн под влиянием контролируемого объекта.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности устройства.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения физических параметров объекта, включающих геометрические параметры изделий, уровень веществ в емкостях, расстояние до объекта, физические свойств вещества, содержащее датчик в виде резонатора, имеющего циркулятор, к одному из плеч которого подсоединен чувствительный элемент, и электронный блок для возбуждения электромагнитных колебаний в резонаторе и измерения его резонансной частоты, при этом циркулятор выполнен k-плечим, где k равно 3,4,…, и к каждому его плечу подсоединен соответствующий ему чувствительный элемент.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 изображена обобщенная схема устройства. На фиг.2 - схема устройства для бесконтактного измерения расстояния до объекта. На фиг.3 показана схема устройства для бесконтактного измерения физических параметров листового материала. На фиг.4 - схема устройства для контактного измерения уровня жидкости в емкости или физических свойств жидкости.
Здесь введены обозначения: 1 - контролируемый объект, 2а, 2б, …, 2к - чувствительные элементы, 3 - циркулятор, 4 - генератор электромагнитных колебаний, 5 - приемное устройство.
В данном устройстве совокупность чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к и k-плечевого циркулятора 3 (k=3,4,…) образует конструкцию датчика. Каждый из k чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к взаимодействует с контролируемым объектом. К датчику в каких-либо точках его конструкции подсоединены генератор электромагнитных колебаний 1 и приемное устройство 5. В зависимости от электрофизических и (или) геометрических параметров контролируемого объекта изменяется тот или иной информативный параметр резонаторного датчика.
Устройство работает следующим образом. С помощью чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к осуществляют зондирование контролируемого объекта 1. Под влиянием измеряемого физического параметра объекта имеет место изменение информативного параметра этих чувствительных элементов одновременно. Колебательные характеристики резонатора, образованного совокупностью данных чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к и k-плечевого циркулятора 3 (k=3,4,…), являются функциями измеряемого параметра. К числу этих колебательных характеристик резонатора относятся: его собственная (резонансная) частота электромагнитных колебаний, число типов колебаний, возбуждаемых в фиксированном диапазоне частот, и др.
Циркулятор 3, являющийся в данном устройстве k-плечим циркулятором (k=3,4,…), есть невзаимное устройство. Специфические особенности таких ферритовых невзаимных устройств освещены в литературе (монографии: 1) Абрамов В.П., Дмитриев В.А., Шелухин С.А. Невзаимные устройства на ферритовых резонаторах. М., Радио и связь. 1989. 200 с.; 2) Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М., Атомиздат. 1980. 464 с. С.223-227).
При этом, в отличие от устройства-прототипа, в условие резонанса (баланса фаз) входит многократно (в k раз, где k=3,4,…) увеличенное значение фазового сдвига, обусловленного полезным одновременным взаимодействием всех чувствительных элементов с контролируемым объектом 1. Следствием этого является повышение чувствительности к измеряемому параметру в соответствующее число раз. Упомянутое условие резонанса в общем случае имеет следующий вид:
n
n
ф
n
φ
ф
где L - общая длина волноводного тракта вне области зондирования, β=2πf/ν - фазовая постоянная, f - собственная частота электромагнитных колебаний n-ого типа резонатора, x - величина измеряемого прараметра, Δ - фазовый сдвиг, обусловленный взаимодействием каждого чувствительного элемента с контролируемым объектом, k - число чувствительных элементов, ν - фазовая скорость электромагнитной волны в резонаторе, которую, не нарушая общности, считаем одинаковой во всех элементах волноводного тракта. Здесь также, не нарушая общности результатов, считаются все чувствительные элементы идентичными, обеспечивая их одинаковое взаимодействие с контролируемым объектом 1.
Из (1) находим
и, следовательно, чувствительность S данного резонаторного датчика есть
0
где  - чувствительность датчика с одним рабочим торцом резонатора. Соотношение (3) показывает, что значение чувствительности S в k раз превышает ее значение S при k=1.
Из данного соотношения вытекают другие формулы, описывающие зависимость информативных параметров от измеряемого параметра для каждого конкретного случая.
На фиг.2, 3 и 4 приведены конкретные примеры применения данного устройства.
На фиг.2 - схема устройства, предназначенного для бесконтактного измерения расстояния до контролируемого объекта 1 - поверхности материала. Здесь в качестве чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к используют приемо-передающие антенны, направленные в сторону данной поверхности. Эти антенны подключены к соответствующим плечам циркулятора 3.
1
2
В зависимости от величины расстояния антенн до данной поверхности изменяются колебательные характеристики резонатора, в частности, число N типов колебаний (резонансов) при девиации частоты f генератора (4 на фиг.1) в фиксированных пределах [f, f].
Условие резонанса (1) принимает в данном случае следующий вид (дисперсию в волноводе не учитываем, что не влияет существенно на рассмотрение вопросов, связанных с оценкой чувствительности датчика):
n
ф
где β=2πf/c, L - длина волновода, x - расстояние от антенн до контролируемой поверхности, c - скорость света (в общем случае это есть фазовая скорость ν волны в свободном пространстве).
Из соотношения (4) находим
При девиации частоты f генератора 7, подключенного к элементу связи 5, в фиксированных пределах file:///fif2~/-, число N возбуждаемых типов колебаний (резонансных импульсов) есть
где
Число возбуждаемых резонансных импульсов служит здесь в качестве информативного параметра. Чувствительность S выражается при этом формулой:
Для резонатора с измерительным волноводом той же длины, но с одной "рабочей" антенной (другой торец волновода короткозамкнут) формулы, аналогичные формулам (6) и (7), имеют вид:
0
Отсюда видно, что чувствительность S датчика с k "рабочими" антеннами в k раз выше чувствительности S аналогичного датчика, имеющего одну "рабочую" антенну. Информативным параметром может являться величина , соответствующая переменной составляющей в сумме (6) и не зависящая от параметров измерительного волновода.
Таким образом, применение бесконтактных датчиков с двумя торцевыми зондами (антеннами) обеспечивает проведение дистанционных дискретных отсчетов расстояния (уровня вещества) с повышенной чувствительностью. Точность измерений возрастает с уменьшением длины зондирующей волны. Выходная характеристика датчика N(x) является функцией расстояния до контролируемой поверхности.
Погрешность ΔN счета числа N резонансных импульсов определяет величину погрешности Δx определения расстояния
в то время как в случае аналогичного датчика с одной "рабочей" антенной
т.е. в k раз больше.
1
2
1
2
В соответствии с (10) в диапазоне частот, например, от f=5 ГГц до f=10 ГГц при k=3 абсолютная погрешность измерений, обусловленная ошибкой ΔN в счете числа резонансных импульсов на единицу (ΔN=1), составляет величину Δx=5 мм. Например, в диапазоне измерения 0÷1000 мм это соответствует относительной погрешности δ=0,5%. При f=9 ГГц, f=11 ГГц и ΔN=1 будем иметь: Δx=1,25 см, чему в диапазоне измерения 0÷1000 мм соответствует величина δ=1,25%, а в диапазоне 0÷10000 мм - величина δ=0,125%.
1
2
Следовательно, рассматриваемые дискретные измерения расстояния (уровня) являются высокоточными и характеризуются малым постоянным шагом дискретности, определяемым величиной девиации [f, f] частоты.
Отметим, что учет частотной дисперсии в измерительном волноводе не вносит принципиальных изменений в полученные результаты (имеют место количественные изменения, существенно не изменяющие порядок полученных оценок).
n
На фиг.3 - схема устройства для измерения малых расстояний, параметров листовых материалов, в том числе диэлектрических и металлических листов (в последнем случае требуется наличие двух аналогичных рассматриваемых резонаторов, установленных с обеих сторон металлического листа; на фигурах это не показано). Здесь интересующими параметрами часто являются толщина листа, его влагосодержание (в случае диэлектриков) и др. Для проведения измерений каждый из чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к выполнен в виде отрезка волновода, один торец которого подсоединен к соответствующему плечу k-плечевого циркулятора 3, а другой открыт и направлен в сторону контролируемого листа. При этом изменяется электрическая длина каждого участка длины резонатора, содержащего чувствительный элемент и, как результат, его используемый информативный параметр в зависимости от измеряемого физического параметра листа. В частности, информативным параметром может служить резонансная частота f электромагнитных колебаний данного резонатора.
Для схемы на рис.3 условие резонанса может быть записано следующим образом:
0
n
n
ф
n
ф
n
n
Здесь x - измеряемое расстояние, L - общая длина волноводного тракта вне области зондирования; β=2πf/ν - фазовая постоянная, f - резонансная (собственная) частота n-ого типа электромагнитных колебаний резонатора; ν- фазовая скорость электромагнитных волн в резонаторе; β=2πf/c; c - скорость света; k=1,2,… - число зондирований.
0
ф
При бесконтактном измерении малых расстояний (x<<L) фазовую скорость ν электромагнитных волн в резонаторе считаем, не нарушая общности рассмотрения, равной скорости с волн на участке длиной x, т.е. в пространстве между волноводом и контролируемой поверхностью.
С учетом этого из соотношения (12) следует
k
n
Чувствительность S=df/dx к измеряемому расстоянию x, как следует из (13), есть
где x<<L. Отсюда видно, что чувствительность прямо пропорциональна числу k зондирований поверхности листового материала. Отметим, что диапазон однозначности измерений снижен в k раз по сравнению с тем случаем, когда k=1.
0
016
6
0
8
Приведем оценки, характеризующие увеличение чувствительности. Для этого рассмотрим соотношения (12) и (13). При L=0,1 м, k=4, n=6 (это соответствует, в частности, колебаниям типа H), c=3·10 м/с из формулы (13) следует f≈9 ГГц. Здесь учтено, что x<<L, например, x≈0,02. Если Δx=0,001 м, то, как следует из (13), этому изменению расстояния (зазора) соответствует изменение собственной частоты, равное Δf=36 МГц; если же k=1, то Δf=9 МГц, т.е. только выбором числа k зондирований при прочих равных условиях можно многократно (в данном примере в четыре раза) увеличить чувствительность, а, значит, и точность измерений малого расстояния x.
ф
<mrow><msub><mi>ν</mi><mi>ф</mi></msub><mo>=</mo><mi>с</mi><mo>/</mo><msqrt><mi>ε</mi></msqrt><mo>.</mo></mrow>
При контактном измерении (фиг.3) физических свойств объекта 1, в частности листового диэлектрического материала, фазовая скорость ν электромагнитных волн в резонаторе не равна скорости света с, а является функцией электрофизических свойств контролируемого объекта 1. Так, если этот объект является диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, то
В этом случае условие резонанса может быть записано следующим образом:
Здесь d - фиксированное расстояние (толщина листа), проходимое электромагнитной волной в диэлектрике в одном (прямом или обратном) направлении, отражаясь от противоположной стороны диэлектрического листа. Этот лист может быть расположен на металлическом основании. Из (15) находим
n
Отсюда следует, что, измеряя f, возможно определить значение как ε, так и d, если одна из этих величин известна.
Измеряя ε, можно определить теоретически или (и) экспериментально функционально связанные с ней физические свойства: влагосодержание W(ε), плотность ρ(ε) и др. (монографии: 1) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. 280 с; 2) Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с.).
Устройство на фиг.4 предназначено для измерения физических параметров жидкостей, в частности, уровня жидкости в какой-либо емкости, физических свойств (влагосодержания, плотности и др.). Здесь в качестве чувствительных элементов 2а, 2б, …, 2к используют волноводы, частично погружаемые в контролируемую жидкость. Она заполняет (частично) каждый волновод по его длине. В качестве информативного параметра здесь целесообразно использовать резонансную частоту электромагнитных колебаний данного резонатора; также возможно применять упомянутое выше число типов колебаний, возбуждаемых в фиксированном диапазоне частот. Выбор конкретного информативного параметра диктуется спецификой решаемой задачи, электрофизическими свойствами контролируемой жидкости. Для регистрации информативного параметра предназначено приемное устройство на фиг.1.
1
2
При измерении уровня жидкости путем приема электромагнитных волн, отраженных от поверхности жидкости, в зависимости от уровня жидкости изменяются колебательные характеристики резонатора, в частности число N типов колебаний (резонансов) при девиации частоты f генератора (4 на фиг.1) в фиксированных пределах [f, f]. В данном случае соотношение для зависимости N от уровня x жидкости, отсчитываемого от верхних торцов волноводов, описывается соотношениями, аналогичными соотношениям (4)÷(11) для схемы на фиг.2.
Данные варианты применения данного устройства следует рассматривать лишь как примеры. Иные задачи требуют выполнения пригодных для их решения различных типов и форм чувствительных элементов, что не меняет сущности данного технического решения.
Таким образом, данное устройство позволяет производить измерения с высокой чувствительностью. Выбор конструктивных параметров датчика данного устройства определяется спецификой той или иной решаемой задачи. Область применения устройства охватывает различные задачи, в которых требуется определять бесконтактным или контактным путем физические свойства веществ, материалов и изделий, их геометрические и иные параметры, расстояния до различных объектов.