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 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.
а
а
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 (x) входной величины, или как функцию b(y) выходной величины, или как функцию входной (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:
а
где  - 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).
а
а
а
Если же коэффициент  (или хотя бы один из их совокупности) является функцией входной (измеряемой) величины x, то есть =(x), то
Тогда чувствительность датчика
а
где  - изменение чувствительности благодаря наличию зависимости (x).
x
x
0
Варьируя изменение ΔS, можно управлять поведением чувствительности S. Если ΔS имеет тот же знак, что и S, 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 .
0
x
Если S и ΔS 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.
а
На фиг. 4 приведена схема воздействия измеряемой величины x на функцию преобразования датчика 1, соответствующая зависимости (3), с применением конструктивного элемента датчика 2, коэффициент  (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
y
0
y
y
y
0
где . Из (6) следует, что , если 0<ΔS<1. Знаки S и S здесь одинаковые. Из (6) также следует, что, переходя через значение ΔS=1, знак чувствительности изменяется, если ΔS>1. Если же 1<ΔS<2, то . (знаки S и S 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
а
0
Это означает, что датчик содержит элементы, зависимость параметров которых от входной и выходной величин характеризуется коэффициентами (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 S), если
x
0
y
y
1) ΔS/S+ΔS>0, если ΔS<1;
x
0
y
y
2) ΔS/S+ΔS<0, если ΔS>1.
0
Будем иметь , но с разными знаками S и S, если
x
0
y
y
1) ΔS/S+ΔS<-2, ΔS<l;
x
0
y
y
2) ΔS/S+ΔS>-2, ΔS>l.
а
На фиг. 6 приведена схема, соответствующая зависимости (7), с применением конструктивных элементов датчика 2 и 3, коэффициенты  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.
а
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 (x) датчика, который поставлен в зависимость от уровня x (массы) вещества в рассматриваемой полости-резонаторе, является его длина l.
а
а
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 (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 (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.
x
0
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 ΔS, вызванное таким изменением функции преобразования датчика, имеет противоположный знак по сравнению с чувствительностью S 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.
0
Если рассматриваемый датчик заполняют электропроводным веществом, то объем полости V является функцией объема V данного вещества в ней, уменьшаясь при увеличении V. Поэтому
где  - начальное (при V=0) значение резонансной частоты  резонатора. Следовательно
0
0
где V - объем вещества в полости резонатора, V - начальный (при V=0) объем полости резонатора,  - чувствительность датчика с неизменной функцией преобразования (V=const), .
0
x
0
0
0
Поскольку , , , то S>0, ΔS<0. Таким образом, при  чувствительность датчика сохраняет знак, но S<S. 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 S знак, возрастает с увеличением V, превосходя S 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; .
0
Из (12) следует, что при  знаки значений S и S чувствительности противоположные. При  также следует, что . Этому случаю соответствует график на фиг.
а
а
Условие  выполняется, например, если l(x)=х, >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.