Метод за измерване на доброкачествения фактор на резонатора
Собственици на патент RU 2312368:
Предложеното изобретение се отнася до измервателната техника и може да се използва за високоточно определяне на качествения фактор на резонатори, използвани в различни области на техниката и научните изследвания. Целта на това изобретение е да подобри точността на измерване и да опрости хардуерното изпълнение на измерването. Предложеният метод за измерване на добротността на резонатор се основава на възбуждане на трептения с линейно променяща се честота в лентата на пропускане и последващо определяне на добротността. В същото време се контролират моментите на равенство на амплитудата на трептенията в резонатора до дадена прагова стойност, в тези моменти посоката на промяна на честотата на възбуждащия сигнал се обръща и се измерва средната честота на възбуждащия сигнал fcp и честотата на модулация на този сигнал fm, а коефициентът на качество на резонатора Q се определя по формулата Q = Kfsrfm, където K е постоянен коефициент . 2 болен.
Изобретението се отнася до измервателната техника и може да се използва за високоточно определяне на качествения фактор на резонатори, използвани в различни области на техниката и научните изследвания. По-специално, той може да се използва в радиовълнови резонансни сензори за влага за петролни продукти.
Съществуват различни методи за определяне на коефициента на качество на резонаторите, чиято същност е да се измери времето, през което амплитудата на трептенията в резонатора се променя до определена стойност (Артеменко С. Н., Камински В. Я., Самойленко Г. М., Татаринов В. С. Измервател на коефициента на качество на свръхпроводящи микровълнови системи с цифрово отчитане / Измервателно оборудване - 1986, - №. 5. стр. 51-52 Пудалов В. М. Измерване на коефициента на качество на свръхпроводящи ултрависокочестотни резонатори по метода на намаляване / PTE, 1982, - № 4, стр. 160-163).
Недостатъкът на тези методи ефактът, че те могат да се използват само за измерване на високи стойности на Q (10 6 и по-високи), докато грешката на измерване е значително повлияна от нестабилността на честотата на възбуждащия сигнал и точността на измерване на времевите интервали.
Известно е и техническо решение, което по техническа същност е най-близко до предложения метод и е прието за прототип (Патент на САЩ № 1493958, М. клас: G01R 27/26). В този прототипен метод се предлага да се приложи сигнал към входа на резонатора, модулиран по честота от нискочестотен сигнал с трион и нискочестотен хармоничен сигнал с индекс на модулация, съответстващ на 2-кратно намаляване на мощността на резонансната крива, и определяне на нивото на половин мощност от позицията на върха на резонансната крива. След това качественият фактор се изчислява от определени честоти, съответстващи на горната част на резонансната крива и нивата на половината мощност.
Недостатъците на този прототипен метод са сложността на неговото изпълнение и ниската точност поради грешката на измерване на индекса на модулация.
Целта на изобретението е да подобри точността на измерване и да опрости хардуерното изпълнение на измерването.
Целта, поставена в предложения метод за измерване на качествения фактор на резонатора, се постига чрез възбуждане на трептения с линейно променяща се честота в лентата на пропускане, контрол на моментите на равенство на амплитудата на трептенията в резонатора на дадена прагова стойност, като в тези моменти посоката на промяна на честотата на възбуждащия сигнал се променя на противоположната. След това се измерват средната честота на възбуждащия сигнал fcp и честотата на модулация на този сигнал fm и качественият фактор на резонатора Q се определя по формулата
където K е постоянен коефициент.
Същностна предложеното изобретение се крие във факта, че в честотния диапазон, близък до резонансната честота на резонатора, амплитудата на трептенията в него U зависи от честотата на възбуждащия сигнал f като
където Um е амплитудата на трептене в резонатора при резонанс;
fp е резонансната честота на резонатора;
Q - качествен фактор на резонатора
(H. Meinke, F.V. Gundlach. Справочник по радиотехника. T.1, M.-L.: Gosenergoizdat, 1960). Ако, например, честотата на сигнала се увеличи, тогава текущата стойност на амплитудата U преминава през максималната стойност Um и в даден момент от времето съвпада с определената прагова стойност Un (фиг.1b). В този момент честотата на сигнала достига стойност f2 (фиг.1а) и посоката на изменение на тази честота се обръща, т.е. честотата на сигнала започва да намалява. Напрежението U отново преминава през максимума Um и в момента на съвпадане с Un честотата на сигнала приема стойност f1 и отново започва да нараства, като горният процес се повтаря многократно. Тъй като честотата f се променя по линеен закон на трион с период на модулация Tm, а амплитудата U в съответствие с (1) е последователност от резонансни криви, симетрични по отношение на fp (фиг.1b), средната честота на възбуждащия сигнал, измерена за цял брой модулационни полупериоди, е равна на fp.
Решавайки (1) по отношение на Q и замествайки Un, fcp и f1 или f2 вместо съответно U, fp и f в (1), получаваме
където f1,2 е всяка от стойностите f1 или f2, при които текущата стойност на амплитудата U съвпада с определената прагова стойност Un. Ако въведем коефициента S, който се определя като
(където Fm=1/Tm е честотата на модулация; Tm е периодът на модулация) и представлява стръмността на зависимостта на честотата f от времето, тогава, като се вземе предвид (3), формула (2) може да бъде преобразуванакъм ума
Където
При условие, че стойността на K е постоянна, което е практически лесно за изпълнение, коефициентът на качество Q се определя само от произведението на стойностите fcp и FM.
Предложеният метод може да се реализира с помощта на устройство, чиято блокова схема е показана на фиг.2. Това устройство се състои от детектор на амплитуда 2, усилвател с автоматично регулиране на усилването (AGC) 3, компаратор 4, генератор на трионно напрежение (GPN) 5 и осцилатор с контролирано напрежение (VCO) 6, който е свързан към изследвания резонатор 1. Честотен брояч 7 също е свързан към VCO 6 и честотен брояч 8 към компаратора 4.
Устройството работи по следния начин. При прилагане към него на захранващото напрежение GPN 5 в началния момент произвежда линейно нарастващо напрежение, според което се променя честотата на сигнала, генериран от VCO 6 (Фиг.1А). Когато тази честота попадне в лентата на пропускане на резонатора, тогава в него се възбуждат трептения, чиято амплитуда се променя в съответствие с резонансната крива (фиг. 1б). Детектор 2, работещ в линеен режим, излъчва напрежение, пропорционално на тази амплитуда. Усилвател 3 усилва това напрежение до стойност, достатъчна за работа на компаратора 4 (т.е. гарантира, че условието Um > Un е изпълнено), а AGC поддържа постоянна стойност на Um независимо от амплитудата на сигнала VCO 6, големината на връзката с резонатор 1 и неговия качествен фактор. Напрежението от изхода на усилвателя 3 се подава на входа на компаратора 4 и в моментите, когато това напрежение съвпада с праговото напрежение на компаратора, последният генерира правоъгълни импулси на напрежение Uk, чиито фронтове са свързани с честотите f1 и f2 (фиг.1в). От отрицателния фронт на импулса на компаратора 4 се задейства GPN 5 и в този момент наклонът на триона на GPN 5 се променя на обратната и,следователно този процес се повтаря многократно. Така се следи резонансната честота на резонатора 1 fp, докато средната честота на VCO е 6 fcp=fp. Тази честота се измерва от честотен брояч 7. Импулсите, генерирани от компаратора 4, следват два пъти честотата на FM модулация и тази честота се измерва от честотен брояч 8.
Коефициентът K, чието познаване е необходимо за изчисляване на Q по формула (4), може да се определи експериментално с помощта на еталонен резонатор с известна стойност на Q или да се изчисли по формула (5), докато параметрите S, Um и Un, включени в нея, се определят предварително.
На базата на предложения метод за измерване на коефициента на качество в съответствие с блоковата схема на фигура 2 е разработен сензор за измерване на състава на трикомпонентния поток "газ-мафт-вода". В този сензор като чувствителен елемент е използван резонатор, направен под формата на сегмент от дълга линия, разпределен по повърхността на ограничен участък от тръбопровода. Резонансната честота fp и коефициентът на качество Q на такъв резонатор, както се вижда от резултатите от теоретични и експериментални изследвания, съдържат информация за състава на потока газ-вода-нефт. Измерването на fp и Q беше извършено с помощта на устройство, чиято блокова схема е показана на фигура 2, след което данните от измерването бяха обработени съгласно определен алгоритъм. Резултатите от обработката се показват в реално време като процент от всеки компонент на потока газ-вода-нефт.
Метод за измерване на качествения фактор на резонатор въз основа на възбуждане в него в лентата на пропускане на трептения с линейно променяща се честота и последващо определяне на качествения фактор, характеризиращ се с това, че се контролират моментите на равенство на амплитудата на трептенията в резонатора на дадена стойностпрагова стойност, променете в тези моменти посоката на промяна на честотата на възбуждащия сигнал към противоположната и измервайте средната честота на възбуждащия сигнал fcp и честотата на модулация на този сигнал fm, а коефициентът на качество на резонатора Q се определя по формулата