Спосіб вимірювання добротності резонатора
Власники патенту UA 2312368:
Запропонований винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для високоточного визначення добротності резонаторів, що застосовуються в різних галузях техніки та наукових дослідженнях. Метою даного винаходу є підвищення точності вимірювання та спрощення апаратурної реалізації вимірювання. Запропонований спосіб вимірювання добротності резонатора заснований на збудженні в ньому в смузі частот пропускання коливань з частотою, що лінійно змінюється, і подальшим визначенням добротності. При цьому контролюють моменти рівності амплітуди коливань в резонаторі заданому пороговому значенню, змінюють напрямки зміни частоти сигналу збудження на протилежне і вимірюють середню частоту сигналу збудження fcp і частоту модуляції цього сигналу fм, а добротність резонатора Q визначають за формулою Q= К – постійний коефіцієнт. 2 іл.
Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для високоточного визначення добротності резонаторів, що застосовуються у різних галузях техніки та наукових дослідженнях. Зокрема, воно може бути використане радіохвильових резонансних датчиках вологості нафтопродуктів.
Відомі різні способи визначення добротності резонаторів, суть яких полягає у вимірі часу, за який амплітуда коливань у резонаторі зміниться до певного значення (Артеменко С.М., Камінський В.Я., Самойленко Г.М., Татарінов B.C. Вимірювач добротності надпровідних НВЧ систем з цифровим відліком / Вимірювальна техніка - 1986, - № 5. с.51-52;Пудалов В. М. Вимір добротності надпровідних надвисокочастотних резонаторів методом декременту / ПТЕ, 1982, - № 4, с.160-163).
Недоліком цих способів єте, що вони можуть бути використані тільки для вимірювання високих значень добротності (10 6 і вище), при цьому на похибку вимірювання істотно впливає нестабільність частоти сигналу збудження та точність вимірювання часових інтервалів.
Відомо також технічне рішення, яке за технічною сутністю найближче до запропонованого способу і прийняте як прототип (пат. Україна №1493958, М.кл.: G01R 27/26). У цьому способі-прототипі пропонується на вхід резонатора подавати сигнал, модульований за частотою пилкоподібним низькочастотним сигналом і гармонійним низькочастотним сигналом з індексом модуляції, відповідним зменшення потужності резонансної кривої в 2 рази, і за становищем вершини резонансної кривої визначати рівень половинної потужності. Добротність потім обчислюється за певними значеннями частот, що відповідають вершині кривої резонансної і рівням половинної потужності.
Недоліками цього способу-прототипу є складність його реалізації та невисока точність, обумовлена похибкою вимірювання індексу модуляції.
Метою пропонованого винаходу є підвищення точності вимірювання та спрощення апаратурної реалізації вимірювання.
Поставлена мета в запропонованому способі вимірювання добротності резонатора досягається тим, що в ньому в смузі частот пропускання збуджуються коливання з частотою, що лінійно змінюється, контролюються моменти рівності амплітуди коливань в резонаторі заданому пороговому значенню і в ці моменти напрям зміни частоти сигналу збудження змінюють. Потім вимірюють середню частоту сигналу збудження fcp і частоту модуляції сигналу fм, а добротність резонатора Q визначають за формулою
де К – постійний коефіцієнт.
Сутністьпропонованого винаходу полягає в тому, що в діапазоні частот, близькому до резонансної частоти резонатора, амплітуда коливань в ньому залежить від частоти сигналу збудження f як
де Um – амплітуда коливань у резонаторі при резонансі;
fp – резонансна частота резонатора;
Q – добротність резонатора
(Х.Мейнке, Ф.В.Гундлах. Радіотехнічний довідник. Т.1, М.-Л.: Держенерговидав, 1960). Якщо, наприклад, частота сигналу зростає, то поточне значення амплітуди U проходить через максимальне значення Um і деякий момент часу збігається із заданим граничним значенням Un (фіг.1б). У цей момент часу частота сигналу досягає значення f2 (фіг.1a) і напрямок зміни цієї частоти змінюється на протилежне, тобто, частота сигналу починає зменшуватися. Напруга U знову проходить через максимум Um і в момент збігу з Un частота сигналу набуває значення f1 і знову починає зростати і вищеописаний процес багаторазово повторюється. Оскільки частота f змінюється за лінійним пилкоподібним законом з періодом модуляції Тм, а амплітуда U відповідно до (1) являє собою послідовність резонансних кривих, симетричних щодо fp (фіг.1б), то середня частота сигналу збудження, виміряна за ціле число напівперіодів модуляції, дорівнює fp.
Вирішуючи (1) щодо Q і підставляючи (1) замість U, fp і f відповідно Un, fcp і f1 або f2, отримаємо
де f1,2 - будь-яке із значень f1 або f2, при яких відбувається збіг поточного значення амплітуди U із заданим граничним значенням Un. Якщо ввести коефіцієнт S, який визначається як
(де Fм=1/Тм - частота модуляції; Тм - період модуляції) і є крутизною залежності частоти f від часу, то з урахуванням (3) формулу (2) можна перетворитина вигляд
де
За умови сталості величини До, що реалізувати практично нескладно, добротність Q визначається лише добутком величин fcp та FМ.
Пропонований спосіб може бути реалізований за допомогою пристрою, структурна схема якого зображена на фіг.2. Цей пристрій складається з амплітудного детектора 2, підсилювача з автоматичним регулюванням посилення (АРУ) 3, компаратора 4, пилоподібного генератора напруги (ГПН) 5 і генератора, керованого напругою (ГУН) 6, який підключений до досліджуваного резонатора 1. До ГУН 6 також частотомір 7, а компаратору 4 - частотомір 8.
Працює пристрій в такий спосіб. При подачі на нього напруги живлення ГПН 5 в початковий момент часу виробляє напругу, що лінійно зростає, відповідно до якого змінюється частота сигналу, що генерується ГУН 6 (фіг.1а). Коли ця частота потрапляє в смугу пропускання резонатора, то в ньому збуджуються коливання, амплітуда яких змінюється відповідно до резонансної кривої (фіг.1б). Детектор 2, що працює в лінійному режимі, виділяє напругу, пропорційну цій амплітуді. Підсилювач 3 посилює цю напругу до значення, достатнього для спрацьовування компаратора 4 (тобто. Напруга з виходу підсилювача 3 надходить на вхід компаратора 4 і в моменти збігу цієї напруги з граничною напругою компаратора останній виробляє прямокутні імпульси напруги Uк, фронти яких прив'язані до частот f1 і f2 (фіг.1в). Від негативного фронту імпульсу компаратора 4 спрацьовує ГПН 5 і в цей момент нахил пили ГПН 5 змінюється зворотний і,отже, цей процес багаторазово повторюється. Таким чином здійснюється стеження резонансної частотою резонатора 1 fp, при цьому середня частота ГУН 6 fcp=fp. Ця частота вимірюється частотоміром 7. Імпульси, що виробляються компаратором 4, випливають з подвоєною частотою модуляції FM і ця частота вимірюється частотоміром 8.
Коефіцієнт До, знання якого необхідно для обчислення Q за формулою (4), може бути визначений експериментально з використанням еталонного резонатора з відомим значенням Q або обчислений за формулою (5), при цьому параметри S, Um і Un визначаються заздалегідь.
На основі запропонованого способу вимірювання добротності відповідно до структурної схеми фіг.2 був розроблений датчик для вимірювання складу трикомпонентного потоку "газ-нафта-вода". У цьому датчику як чутливий елемент був застосований резонатор, виконаний у вигляді відрізка довгої лінії, розподіленої по поверхні обмеженої ділянки трубопроводу. Резонансна частота fp і добротність Q такого резонатора, як свідчать результати теоретичних та експериментальних досліджень, містять інформацію про склад газоводонафтового потоку. Вимірювання fp і Q проводилося за допомогою пристрою, структурна схема якого представлена на фіг.2, а потім дані вимірювань оброблялися за певним алгоритмом. Результати обробки виводилися на дисплей у реальному масштабі часу у вигляді процентного змісту кожного компонента газоводонафтового потоку.
Спосіб вимірювання добротності резонатора, заснований на збудженні в ньому в смузі частот пропускання коливань з частотою, що лінійно змінюється, і наступним визначенням добротності, який відрізняється тим, що контролюють моменти рівності амплітуди коливань в резонаторі заданомупороговому значенню, змінюють у ці моменти напрям зміни частоти сигналу збудження на протилежний і вимірюють середню частоту сигналу збудження fcp і частоту модуляції сигналу fм, а добротність резонатора Q визначають за формулою