СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ
METHOD OF MEASURING PHYSICAL QUANTITY

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 различные способы и устройства для измерения физических величин, в частности физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (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). Недостатком таких способов и реализующих эти способы измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная невозможностью контроля малых изменений физических свойств жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для обеспечения возможности проведения таких измерений применяют двухканальные измерительные схемы с независимыми измерительным и эталонным каналами. В эталонном канале чувствительный элемент содержит жидкость с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. Стр.258-268).
Известно также техническое решение (RU 2285913, 20.10.2006), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу производят измерения физических свойств жидкостей с применением двух независимых измерительных каналов, рабочего и эталонного, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа ТЕМ и заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Для реализации данного способа применяют линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительного канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора.
Данный способ характеризуется сложностью его реализации, обусловленной необходимостью применения двух независимых измерительных каналов. В каждом из них необходимо наличие чувствительного элемента, генератора электромагнитных колебаний и приемного устройства для определения величины информативного параметра. Кроме того, необходимо наличие блока для функциональной обработки выходных сигналов этих (измерительного и опорного) каналов. Необходимость в данных элементах двухканальных измерительных устройств для реализации этого способа существенно усложняет его реализацию. Кроме того, этот способ характеризуется и невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений схемных параметров, нестабильности указанных элементов измерительных схем (двух генераторов, приемных устройств). Это приводит к снижению точности измерения.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса измерения и повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения физической величины достигается тем, что возбуждают электромагнитные волны в волноводном резонаторе, размещают контролируемый объект в волновом поле одного из торцевых участков волноводного резонатора и определяют одну из характеристик стоячей электромагнитной волны в нем, при этом в волновом поле другого торцевого участка размещают идентичный объект с эталонным значением измеряемой физической величины. В качестве волноводного резонатора возможно использовать отрезок длинной линии, а в качестве его торцевых участков - идентичные измерительные ячейки.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена функциональная схема, поясняющая способ измерения.
На фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 и фиг.6 приведены примеры устройств для реализации способа измерения.
На чертежах показаны волноводный резонатор 1 с торцевыми участками 2 и 3, электронный блок 4, эталонное вещество 5, контролируемое вещество 6.
Способ реализуется следующим образом.
н
На фиг.1 показан волноводный резонатор 1 с размещенными на его торцах идентичными чувствительными элементами 2 и 3. В их волновом поле помещены объекты с, соответственно, эталонным и текущим (измеряемым) значениями измеряемой физической величины. Каждому значению х измеряемой физической величины контролируемого объекта соответствует значение сопротивления Z(x) чувствительного элемента, в общем случае комплексного сопротивления. К волноводному резонатору 1 подсоединен электронный блок 4 для возбуждения в данном волноводном резонаторе колебаний и измерения одного из его информативных параметров. Данный электронный блок, изображенный здесь схематично в виде одного блока, может представлять собой также совокупность отдельных элементов и блоков для возбуждения в волноводном резонаторе колебаний, их съема и измерения информативного параметра (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т.1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с.).
Данный способ может быть реализован с применением как электромагнитных, так и акустических волн, возбуждаемых в соответствующем волноводном резонаторе. В качестве информативного параметра для измерения различных физических величин может быть использована одна из характеристик стоячей волны в волноводном резонаторе: одна из резонансных (собственных) частот электромагнитных или акустических колебаний волноводного резонатора, амплитуда поля стоячей волны вдоль него и др.
При отличии измеряемой величины от ее эталонного значения в волноводном резонаторе происходит изменение картины распределения поля стоячей волны с соответствующим изменением значений указанных информативных параметров.
Рассмотрим реализацию данного способа с применением электромагнитных волн.
В качестве информативного параметра может быть использована, в частности, одна из резонансных (собственных) частот f электромагнитных колебаний волноводного резонатора.
0
0
0
На фиг.2 показано применение данного способа для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью ε, где торец 2 волноводного резонатора 1 погружен в эталонное вещество 5 с диэлектрической проницаемостью ε - жидкость с эталонным значением х измеряемой величины х (и ε=ε), а другой идентичный торец 3 погружен в контролируемое вещество 6 - ту же жидкость с текущим значением х (и ε).
0
0
0
Получим значения изменения Δf резонансной (собственной) частоты f полого волноводного резонатора с одним торцевым чувствительным элементом и двумя идентичными торцевыми чувствительными элементами, каждый из которых представляет собой часть торцевой полости объема волноводного резонатора. Один чувствительный элемент заполнен эталонным веществом, а другой - контролируемым веществом, например диэлектрической жидкостью. Разместим в каждой из этих полостей соответствующий диэлектрический объект (эталонный и контролируемый) с объемом V<<V, где V - объем полости волноводного резонатора. На одном из торцов этот объект имеет эталонное значение x измеряемого параметра, а на другом - его текущее значение х.
В случае волноводного резонатора с одним торцевым чувствительным элементом, заполняемым диэлектриком объемом V с диэлектрической проницаемостью ε, будем иметь
0
0
0
0
0
0
где Δf=f(V)-f; f - резонансная (собственная) частота полого (при V=0) волноводного резонатора; ε - диэлектрическая проницаемость объекта с эталонным значением измеряемого параметра х(ε)=х(ε); Δε(х) - изменение ε вследствие изменения величины х измеряемого параметра на величину Δ(х); .
Здесь учтено, что контролируемый объект имеет постоянное значение ε в объеме V.
0
0
Для волноводного резонатора с двумя идентичными торцевыми чувствительными элементами, один их которых заполняют диэлектриком объемом V с эталонным значением х(ε) измеряемого параметра х(ε), а другой, также имеющий объем V, заполняют диэлектриком с его текущим значением х(ε), будем иметь следующее выражение для выходного сигнала устройства, реализующего данный способ:
0
0
Здесь Δε(x)=ε(х)-ε - изменение ε вследствие изменения х.
0
0
В то же время в случае способа-прототипа с независимыми измерениями x(ε) и х(ε) при применении двух чувствительных элементов с одним "рабочим" торцом выходной сигнал устройства для реализации способа образуется при выполнении следующей совместной функциональной обработки выходных сигналов измерительного и опорного каналов:
1
0
0
Здесь (Δf) и(Δf) - значения Δf для чувствительных элементов с измеряемым х и эталонным x значениями измеряемого параметра.
1
0
1
0
Вследствие возможной флуктуационной нестабильности схемных элементов возможны соответствующие изменения информативного параметра, приводя к снижению точности измерения. Сравнение (4) и (5) показывает, что возможные изменения (Δf)-(Δf) информативного параметра из-за независимых флуктуационных изменений (Δf) и (Δf) в способе-прототипе, реализуемом с применением двухканальной измерительной схемы (при наличии двух генераторов, приемных устройств), превышает аналогичные изменения Δf информативного параметра f в предлагаемом способе, реализуемом с применением одноканальной измерительной схемы. Следовательно, точность измерения, обеспечиваемая применением предлагаемого способа, превышает ее значение по сравнению с точностью в способе-прототипе.
н
0
н
н
н
н
н
н
н
В качестве волноводного резонатора 1 может быть использован также отрезок длинной линии с торцевыми нагрузочными сопротивлениями Z(x) и Z(x). В качестве торцевых участков отрезка длинной линии могут быть применены различные измерительные ячейки. Если на торцах отрезка длинной линии расположены, в частности, измерительные ячейки - емкостные чувствительные элементы с электрической емкостью С(х), то Z(x)=1/j2πfC(x); если же расположены измерительные ячейки - индуктивные чувствительные элементы с сосредоточенной индуктивностью L(x), то Z(x)=j2πfL(x).
н
0
н
н
0
н
н
н
0
0
На фиг.3 приведен в качестве примера отрезок однородной длинной линии 1, к торцам 2 и 3 которого подсоединены идентичные измерительные ячейки в виде электрической емкости с, соответственно, эталонным С(х) и текущим С(х)=С(х)+ΔС(х) ее значениями. Величина ΔС(х) соответствует изменению емкости С(х) вследствие изменения х относительно х.
0
0
На фиг.4 показана схема для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с применением отрезка длинной линии 1, разомкнутого на обоих торцах. Его идентичные торцы 2 и 3 погружены на одинаковую глубину в эталонное вещество 5 и контролируемое вещество 6 - жидкости с, соответственно, эталонным х(ε) и текущим значениями х(ε) измеряемой физической величины.
C
н
0
н
н0
0
Часть длины отрезка однородной длинной линии, имеющую длину l и погруженную в контролируемую жидкость, можно представить как эквивалентное подключение на конце отрезка длинной линии длиной l, разомкнутого на этом конце, сосредоточенной электрической емкости C:  (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. 280 с.). Для части длины отрезка однородной длинной линии длиной , погруженной в эталонную жидкость, будем иметь: . Здесь W - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии длиной l, f - собственная (резонансная) частота электромагнитных колебаний рассматриваемого отрезка длинной линии с "рабочим" и эталонным торцевыми участками, с - скорость света. Наличие этих разных емкостей С(ε) и С(ε) на торцах отрезка длинной линии приводит к изменению f, а также и других информативных параметров, в зависимости от значения х измеряемой величины.
0
На фиг.5 показано применение предлагаемого способа для измерения величины х, связанной функционально с ε, плоского диэлектрического образца. Здесь открытые торцы 2 и 3 полого волноводного резонатора 1 расположены на поверхности эталонного вещества 5 и контролируемого вещества 6 с, соответственно, эталонным значением х(ε) и текущим значением х(ε) измеряемого параметра. На фиг.6 приведен пример решения этой задачи с применением отрезка длинной линии.
0
0
В качестве информативного параметра, помимо резонансной частоты, можно использовать также амплитуду поля стоячей электромагнитной волны в волноводном резонаторе в одном из ее экстремумов (максимумов или минимумов). Изменение х относительно его эталонного значения х приводит к смещению положения этих экстремумов вдоль волноводного резонатора, что позволяет определить значение этого смещения по величине амплитуды поля стоячей волны в одном из экстремумов поля стоячей волны. Она изменяется относительно исходного экстремального (максимального или минимального) значения, имеющего место при х=х в зависимости от величины х.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять различные физические величины. Этот способ характеризуется упрощением процесса измерения и повышением точности за счет того, что для проведения измерений не требуется наличия двухканальной измерительной схемы и выполнения совместной функциональной обработки выходных сигналов ее измерительных каналов, а достаточно только одного измерительного канала.