способ измерения добротности резонатора
Классы МПК: | G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных |
Автор(ы): | Фатеев Валерий Яковлевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-01-10 публикация патента:
10.12.2007 |
Предложенное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения добротности резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. Целью данного изобретения является повышение точности измерения и упрощение аппаратурной реализации измерения. Предложенный способ измерения добротности резонатора основан на возбуждении в нем в полосе частот пропускания колебаний с линейно изменяющейся частотой и последующим определением добротности. При этом контролируют моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению, меняют в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения на противоположное и измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения fcp и частоту модуляции этого сигнала fм, а добротность резонатора Q определяют по формуле Q=Kfср fм, где К - постоянный коэффициент. 2 ил.
![способ измерения добротности резонатора, патент № 2312368](/images/patents/155/2312368/2312368.jpg)
![способ измерения добротности резонатора, патент № 2312368](/images/patents/155/2312368/2312368-6.jpg)
Формула изобретения
Способ измерения добротности резонатора, основанный на возбуждении в нем в полосе частот пропускания колебаний с линейно изменяющейся частотой и последующим определением добротности, отличающийся тем, что контролируют моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению, меняют в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения на противоположное и измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения f cp и частоту модуляции этого сигнала fм , а добротность резонатора Q определяют по формуле
Q=Kf cpfм,
где К - постоянный коэффициент.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения добротности резонаторов, применяемых в различных областях техники и научных исследованиях. В частности, оно может быть использовано в радиоволновых резонансных датчиках влажности нефтепродуктов.
Известны различные способы определения добротности резонаторов, суть которых заключается в измерении времени, за которое амплитуда колебаний в резонаторе изменится до определенного значения (Артеменко С.Н., Каминский В.Я., Самойленко Г.М., Татаринов B.C. Измеритель добротности сверхпроводящих СВЧ систем с цифровым отсчетом / Измерительная техника - 1986, - №5. с.51-52; Пудалов В.М. Измерение добротности сверхпроводящих сверхвысокочастотных резонаторов методом декремента / ПТЭ, 1982, - №4, с.160-163).
Недостатком этих способов является то, что они могут быть использованы только для измерения высоких значений добротности (106 и выше), при этом на погрешность измерения существенное влияние оказывает нестабильность частоты сигнала возбуждения и точность измерения временных интервалов.
Известно также техническое решение, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа (пат. РФ №1493958, М.кл.: G01R 27/26). В этом способе-прототипе предлагается на вход резонатора подавать сигнал, модулированный по частоте пилообразным низкочастотным сигналом и низкочастотным гармоническим сигналом с индексом модуляции, соответствующим уменьшению мощности резонансной кривой в 2 раза, и по положению вершины резонансной кривой определять уровень половинной мощности. Добротность затем вычисляется по определенным значениям частот, соответствующим вершине резонансной кривой и уровням половинной мощности.
Недостатками этого способа-прототипа являются сложность его реализации и невысокая точность, обусловленная погрешностью измерения индекса модуляции.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и упрощение аппаратурной реализации измерения.
Поставленная цель в предлагаемом способе измерения добротности резонатора достигается тем, что в нем в полосе частот пропускания возбуждаются колебания с линейно изменяющейся частотой, контролируются моменты равенства амплитуды колебаний в резонаторе заданному пороговому значению и в эти моменты направление изменения частоты сигнала возбуждения изменяют на противоположное. Затем измеряют среднюю частоту сигнала возбуждения fcp и частоту модуляции этого сигнала fм, а добротность резонатора Q определяют по формуле
Q=Kfcpf м,
где К - постоянный коэффициент.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в диапазоне частот, близком к резонансной частоте резонатора, амплитуда колебаний в нем U зависит от частоты сигнала возбуждения f как
где Um - амплитуда колебаний в резонаторе при резонансе;
fp - резонансная частота резонатора;
Q - добротность резонатора
(Х.Мейнке, Ф.В.Гундлах. Радиотехнический справочник. Т.1, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960). Если, например, частота сигнала возрастает, то текущее значение амплитуды U проходит через максимальное значение Um и в некоторый момент времени совпадает с заданным пороговым значением Un (фиг.1б). В этот момент времени частота сигнала достигает значения f2 (фиг.1a) и направление изменения этой частоты меняется на противоположное, то есть, частота сигнала начинает убывать. Напряжение U опять проходит через максимум Um и в момент совпадения с U n частота сигнала принимает значение f1 и вновь начинает возрастать и вышеописанный процесс многократно повторяется. Поскольку частота f изменяется по линейному пилообразному закону с периодом модуляции Тм, а амплитуда U в соответствии с (1) представляет собой последовательность резонансных кривых, симметричных относительно f p (фиг.1б), то средняя частота сигнала возбуждения, измеренная за целое число полупериодов модуляции, равна f p.
Решая (1) относительно Q и подставляя в (1) вместо U, fp и f соответственно U n, fcp и f1 или f2, получим
где f1,2 - любое из значений f1 или f2, при которых происходит совпадение текущего значения амплитуды U с заданным пороговым значением Un. Если ввести коэффициент S, который определяется как
(где Fм=1/Т м - частота модуляции; Тм - период модуляции) и представляет собой крутизну зависимости частоты f от времени, то с учетом (3) формулу (2) можно преобразовать к виду
Q=KfcpFм ,
где
При условии постоянства величины К, что реализовать практически несложно, добротность Q определяется только произведением величин fcp и FМ.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого изображена на фиг.2. Это устройство состоит из амплитудного детектора 2, усилителя с автоматической регулировкой усиления (АРУ) 3, компаратора 4, генератора пилообразного напряжения (ГПН) 5 и генератора, управляемого напряжением (ГУН) 6, который подключен к исследуемому резонатору 1. К ГУН 6 также подключен частотомер 7, а к компаратору 4 - частотомер 8.
Работает устройство следующим образом. При подаче на него напряжения питания ГПН 5 в начальный момент времени вырабатывает линейно возрастающее напряжение, в соответствии с которым изменяется частота сигнала, генерируемого ГУН 6 (фиг.1а). Когда эта частота попадает в полосу пропускания резонатора, то в нем возбуждаются колебания, амплитуда которых изменяется в соответствии с резонансной кривой (фиг.1б). Детектор 2, работающий в линейном режиме, выделяет напряжение, пропорциональное этой амплитуде. Усилитель 3 усиливает это напряжение до значения, достаточного для срабатывания компаратора 4 (т.е. обеспечивает выполнение условия Um >Un), а АРУ поддерживает постоянной величину Um независимо от амплитуды сигнала ГУН 6, величины связи с резонатором 1 и его добротности. Напряжение с выхода усилителя 3 поступает на вход компаратора 4 и в моменты совпадения этого напряжения с пороговым напряжением компаратора последний вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения U к, фронты которых привязаны к частотам f 1 и f2 (фиг.1в). От отрицательного фронта импульса компаратора 4 срабатывает ГПН 5 и в этот момент наклон пилы ГПН 5 меняется на обратный и, следовательно, этот процесс многократно повторяется. Таким образом осуществляется слежение за резонансной частотой резонатора 1 f p, при этом средняя частота ГУН 6 fcp =fp. Эта частота измеряется частотомером 7. Импульсы, вырабатываемые компаратором 4, следуют с удвоенной частотой модуляции FM и эта частота измеряется частотомером 8.
Коэффициент К, знание которого необходимо для вычисления Q по формуле (4), может быть определен экспериментально с использованием эталонного резонатора с известным значением Q либо вычислен по формуле (5), при этом входящие в нее параметры S, Um и U n определяются заранее.
На основе предложенного способа измерения добротности в соответствии со структурной схемой фиг.2 был разработан датчик для измерения состава трехкомпонентного потока "газ-нефть-вода". В этом датчике в качестве чувствительного элемента был применен резонатор, выполненный в виде отрезка длинной линии, распределенной по поверхности ограниченного участка трубопровода. Резонансная частота fp и добротность Q такого резонатора, как свидетельствуют результаты теоретических и экспериментальных исследований, содержат в себе информацию о составе газоводонефтяного потока. Измерение f p и Q проводилось с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг.2, и затем данные измерений обрабатывались по определенному алгоритму. Результаты обработки выводились на дисплей в реальном масштабе времени в виде процентного содержания каждого компонента газоводонефтяного потока.
Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных