СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
METHOD OF PRESSURE MEASUREMENT

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения статического и динамического давления.
Известны способ измерения давления и реализующее его устройство (US 4604898 А, 12.08.1986). Эти технические решения заключаются в возбуждении электромагнитных колебаний в отрезке коаксиальной длинной линии с торцевым чувствительным элементом. Измеряя резонансную частоту колебаний, возбуждаемых в этом отрезке длинной линии, определяют величину прогиба деформируемой торцевой стенки резонатора. В устройстве торцевой чувствительный элемент представляет собой конденсатор, образованный совокупностью плоской металлической пластины, подсоединенной к внутреннему проводнику коаксиальной линии и установленной перпендикулярно ее продольной оси, и параллельной пластине деформируемой торцевой стенки (мембраны), воспринимающей внешнее давление. Известно также устройство для измерения давления, содержащее коаксиальный резонатор, на торце которого расположены два плоских диска, выполняющих функцию конденсатора. Один из этих дисков прикреплен с помощью штока к центру мембраны, воспринимающей измеряемое давление, а другой диск закреплен на торце внутреннего проводника коаксиальной линии параллельно первому диску (RU 2221228 С2, 10.01.2004).
Известны также способ и устройство (US 3927369 А, 31.01.1973), согласно которому электромагнитные колебания возбуждают в сверхвысокочастотный (СВЧ) чувствительный элемент в виде объемного СВЧ-резонатора, который имеет упругую торцевую стенку (мембрану, диафрагму и т.п.), и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний данного резонатора. Устройство содержит объемный СВЧ-резонатор и соединенный с ним блок для генерации резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора и блок измерения резонансной частоты данного резонатора. Выходной сигнал этого блока соответствует измеряемому давлению. Эта частота имеет обычно величину порядка нескольких гигагерц и зависит от размеров резонатора, выбранного "рабочего" типа электромагнитных колебаний. При этом изменение давления приводит к смещению гибкой стенки резонатора (это его торцевая стенка), изменяя продольный размер полости резонатора и, как следствие, его резонансную частоту.
Известен также способ измерения давления, согласно которому электромагнитные колебания возбуждают в двух объемных резонаторах и измеряют резонансную частоту каждого из них (WO 2004088266 А1, 26.03.2004). При этом один из объемных резонаторов имеет упругую стенку, на которую воздействует измеряемое давление, а другой резонатор является эталонным, находящимся вместе с первым резонатором при одной и той же температуре окружающей среды, но не подверженным влиянию измеряемого давления. Совместное функциональное преобразование (вычитание одной из другой) измеряемых резонансных частот обоих резонаторов позволяет уменьшить влияние изменений температуры на результат измерения давления первым резонатором. Недостатком этого способа является сложность его реализации, обусловленная необходимостью применения двух объемных резонаторов. Кроме того, температура, при которой находятся эти объемные резонаторы, принципиально может быть несколько различной, что приводит к некоторой погрешности измерения давления при указанной совместном преобразовании резонансных частот двух объемных резонаторов.
nmp
nmp
1
020
2
1
2
1
2
Известно также техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989. 208 с. С. 118-120), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Согласно данному способу измерения давления, в первом цикле измерений в объемном резонаторе с одной из торцевых стенок в виде металлической мембраны, воспринимающей измеряемое давление, возбуждают электромагнитные колебания на одном из его типов Н (n=0,1,2,…; m=0,1,2,…, p=1,2,…) или Е (n=0,1,2,…; m=1,2,…, p=1,2,…) с ненулевым продольным индексом р и измеряют его резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний, зависящую как от измеряемого давления, так и от температуры - возмущающего фактора, снижающего точность измерения давления.. Во втором цикле измерений возбуждают в этом резонаторе электромагнитные колебания типа Е с нулевым продольным индексом р и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний, зависящую только от температуры. Совместное функциональное преобразование при реализации дифференциальной схемы измерений (вычитание ƒ из ƒ) измеряемых резонансных частот ƒ и ƒ позволяет уменьшить влияние изменений температуры на результат измерения давления.
020
2
1
2
Недостатком этого способа является сложность его реализации, обусловленная необходимостью возбуждения объемного резонатора во втором цикле измерений на одном из высших типов колебаний, а именно Е, для чего необходимо принять меры для выделения (фильтрации) этого высшего типа колебаний и измерения соответствующей резонансной частоты ƒ. Кроме того, при возможных существенных температурных изменениях значений диэлектрической и магнитной проницаемости ε и μ, соответственно, среды в полости резонатора, точность измерения остается невысокой вследствие применения в способе-прототипе (и других известных технических решениях) дифференциальной схемы совместного преобразования частот ƒ из ƒ, не позволяющего в данном случае (при существенных изменениях ε и (или) μ) полностью исключить влияние возможных температурных изменений ε и (или) μ на результаты измерений давления.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение реализации способа и повышение точности измерения.
nmp
nmp
1
010
2
1
2
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения давления, при котором в объемном резонаторе в виде отрезка волновода с одной из торцевых стенок в виде металлической мембраны, воспринимающей измеряемое давление, в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания одного из его типов Н (n=0,1,2,…; m=0,1,2,…, p=1,2,…) или Е (n=0,1,2,…; m=1,2,…, p=1,2,…) с ненулевым индексом р и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний, дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают в этом объемном резонаторе электромагнитные колебания типа Е с нулевыми индексами n и p и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний, производят совместное функциональное преобразование резонансных частот ƒ и ƒ, по результату которого судят об измеряемом давлении.
Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг. 1, где приведена его структурная схема устройства для его реализации.
На фиг. 1 показаны объемный резонатор 1, металлическая мембрана 2, элемент связи 3, коммутатор 4, электронный блок 5, функциональный преобразователь 6, регистратор 7.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Согласно данному способу, электромагнитные колебания возбуждают в цилиндрическом объемном резонаторе 1 в виде отрезка круглого волновода, имеющем на одном из его торцев тонкую металлическую мембрану 2 (фиг. 1). При воздействии извне какой-либо физической величины (на фиг. 1 такое воздействие показано стрелкой) или при изменении этого воздействия относительно его некоторого исходного значения имеет место прогиб металлической мембраны 2 объемного резонатора 1, тем самым, обеспечивается восприятие значения соответствующего давления Р (за счет измерения величины прогиба). Информативным параметром является резонансная частота электромагнитных колебаний в этом объемном резонаторе, являющаяся функцией величина прогиба мембраны, точнее, ее центральной части относительно ее исходного положения, соответствующего отсутствию воздействия извне физической величины (или изменения этого воздействия относительно его некоторого исходного значения).
nmp
nmp
В предлагаемом способе осуществляют проведение двух последовательных циклов измерений с применением одного и того же цилиндрического объемного резонатора. Электромагнитные колебания возможных типов Н (n=0,1,2,…; m=0,1,2,…, p=1,2,…) и Е (n=0,1,2,…; m=1,2,…, p=1,2,…) в цилиндрическом объемном резонаторе характеризуются значениями трех индексов n, m и p, входящих в выражения для компонент электрического и магнитного полей и собственных (резонансных) частот этого объемного резонатора (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М: Высшая школа. 1970. С. 78-89). Индексы n, m и p характеризуют периодичность поля (число полуволн) по, соответственно, полярному углу, радиусу (то есть число полных и неполных полуволн, укладывающихся от оси до стенки цилиндрического резонатора), и длине цилиндрического резонатора.
nmp
nmp
1
1
В первом цикле измерений возбуждают в объемном резонаторе 1 электромагнитные колебания одного из его типов Н или Е с ненулевым продольным индексом р и измеряют резонансную частоту ƒ электромагнитных колебаний. Поскольку p≠0, эта резонансная частота ƒ является функцией длины объемного резонатора (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. С. 342-349):
nm
nm
nm
где v и  - значения, соответственно, корней функции Бесселя для волн типов Е и ее производной для волн типов Н, с - скорость света, ε и μ - соответственно, относительное значение диэлектрической и магнитной проницаемости среды в полости резонатора, а - радиус цилиндрического резонатора,  - длина этого резонатора.
Длина  цилиндрического резонатора 1 определяется величиной прогиба деформируемой металлической мембраны 2, зависящей от измеряемого давления. Величина прогиба этой торцевой стенки (мембраны) выражается следующей формулой (US 3927369 А, 31.01.1973):
где ΔР - разность давлений с внешней и внутренней сторон мембраны, а - радиус цилиндрической мембраны, d - ее толщина, Е - модуль упругости конкретного материала, из которого изготовлена мембрана. Формула (2) выражает максимальную величину деформации в центре мембраны. Конструкция объемного резонатора может быть изготовлена из меди, латуни и других металлов с небольшим удельным сопротивлением. Упругая торцевая стенка (мембрана) может быть изготовлена из различных металлов, например, элинваpa (RU 2221228 С2, 10.01.2004). В качестве материала для мембраны допустимо выбрать нержавеющую сталь. Толщина мембраны может составлять 0,1÷0,2 мм, а ее диаметр должна соответствовать диаметру цилиндрического резонатора, например, 10÷40 мм.
nm0
010
Затем дополнительно, во втором цикле измерений, возбуждают в этом же объемном резонаторе 1 электромагнитные колебания одного из его типов E, в частности низшего типа Е, с нулевыми индексами n и p и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний:
010
nm0
2
01
Колебания типа Е являются низшим типом электромагнитных колебаний среди типов Е и характеризуются наименьшей резонансной частотой ƒ, равной критической частоте  волны E в круглом волноводе и не зависящей от длины  (т.е. от величины прогиба металлической мембраны):
nmp
nmp.
nmp
nm0
n0p
n0p
nm0
Следует отметить, что в цилиндрическом резонаторе первый индекс n может быть равен нулю как у колебаний типов Е, так и НПоследний индекс p может быть равным нулю только у колебаний типов Е, то есть возможны колебания только типов Е. То есть в цилиндрическом резонаторе невозможно наличие колебаний типов Е, Н и Н (Гроссман Ю.С.Теоретические основы радиотехники. Минск, изд-во МВИРТУ. 1960.442 с. С. 367-376).
010
2
1
1
010
2
2
Во втором цикле измерений производят возбуждение электромагнитных колебаний в цилиндрическом резонаторе 1 низшего типа колебаний Е, когда резонансная частота ƒ не зависит от длины  (т.е. от величины прогибы торцевой мембраны), а зависит, как и резонансная частота ƒ, от температуры окружающей среды (при этом ƒ зависит от величины измеряемого давления, влияющего на степень прогиба торцевой мембраны 2). Проведение измерений во втором цикле на низшем типе колебаний Е с нулевыми индексами n и p, характеризуемых наименьшим значением резонансной частоты ƒ, упрощает процесс выделения этого типа колебаний и проведения измерений ƒ.
1
2
1
2
1
2
1
2
Производя совместное функциональное преобразование резонансных частот ƒ и ƒ, по его результату судят об измеряемом давлении при существенном уменьшении влияния температуры окружающей среды на результат измерения давления. Так, схема устройства, реализующего данный способ, с определением разности ƒ и ƒ (дифференциальная схема) позволяет существенно снизить влияние температуры. Также, в другом варианте выполнения совместного преобразования резонансных частот ƒ и ƒ, их функциональное (логометрическое) преобразование в функциональном блоке устройства, реализующего данный способ, как следует из формул (1) и (3), согласно соотношению ƒ/ƒ
nm
обеспечивает в процессе измерений инвариантность результатов измерения давления к возможным изменениям, в том числе температурным, величин ε и μ, характеризующих среду в полости объемного резонатора. Здесь индексы "1" и "2" при v и  соответствуют проведению измерений в первом и втором тактах.
1
2
1
2
Отметим, что, как видно из рассмотрения формул (1), (3) и (4), применение дифференциальной схемы измерений с определением величины ƒ - ƒ не устраняет зависимости такого преобразования частот от величин ε и μ и, следовательно, от влияния их температурных изменений на результат измерения давления, что говорит о повышении точности измерений при возможных существенных изменениях ε и (или) μ при применении логометрического преобразования ƒ и ƒ.
1
2
1
2
В устройстве, реализующем данный способ, в цилиндрическом объемном резонаторе 1, имеющем торцевую мембрану 2, подверженную влиянию внешнего давления (показано стрелкой) с помощью элемента связи 3 возбуждают электромагнитные колебания (фиг. 1). Их возбуждение осуществляют через коммутатор 4 с помощью электронного блока 5 последовательно в первом и втором тактах измерений и производят в каждом из этих тактов съем электромагнитных колебаний с помощью элемента связи 3 и измерение в электронном блоке 5 соответствующей резонансной частоты ƒ и ƒ. Значения ƒ и ƒ поступают на вход функционального преобразователя 6 для их совместного преобразования (дифференциальное или логометрическое преобразование). К его выходу подсоединен регистратор 7 для определения величины измеряемого давления.
Таким образом, в данном способе измерения давления достигается упрощение его реализации и повышение точности измерений.