Электромагнитные измерения
Рис. 2. Электрометрическая схема импульсной установки для поиска подповерхностных неоднородностей
электронная проводимость металла переходит в ионную проводимость электролита. Кроме того, относительно небольшая глубина исследования (до 10 м) позволяет использовать маломощные импульсные источники питания, что значительно снижает массу установки.
Результаты полевых исследований глубины залегания грунтовых вод, проведенных в межканальном пространстве осушаемых болот на избыточно увлажненных землях Республики Марий Эл (таблица), показали тесную связь между эмпирическими данными (//4) и результатами электроимпульсных измерений УГВ. Коэффициент множественной корреляции на переходном болоте составил 0,96 при средней погрешности аппроксимации 5,4 %, а на низинном — соответственно 0,89 и 4 %. Таким образом, с помощью электроимпульсного способа зондирования можно с погрешностью до 5 % определять уровень грунтовых вод при относительной однородности грунта.
Результаты полевых исследований уровня грунтовых вод
Тип болота
Номер переходное низинное
скважины УГВ, см 1 / 4, см УГВ, см 1 / 4, см
1 85 98 71 74
2 76 72 64 70
3 73 81 57 65
4 90 95 49 55
5 84 91 60 58
6 120 122 62 63
7 130 125 69 71
Методика проведения электроимпульсного зондирования в реальных условиях отличается от традиционной геофизической, что не оказывает существенного влияния на точность измерений.
Л и т е р а т у р а
1. Макаренко Г. Л. Основы приповерхностной электрометрии болот. — Тверь: ТверПИ, 1993.
2. Матвеев Б. К. Электроразведка. — М.: Недра, 1990.
3. Цирель Я. А. Заземляющие устройства воздушных линий электропередачи. — Л.: Энергоатомиздат, 1989.
Дата одобрения 15.11.2005 г.
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.3.083.2
Резонаторные измерения: площадь
V V | V
под резонансной кривои как информативным
параметр
В. А. ВИКТОРОВ, В. С. МИНАЕВ, А. С. СОВЛУКОВ
Показано, что метод измерений с использованием площади под резонансной кривой в резонаторных датчиках в качестве информативного параметра значительно чувствительнее к измеряемой величине, чем метод, основанный на измерении резонансной частоты. Рассмотрен пример применения метода для определения уровня диэлектрической жидкости в резервуаре при помощи радиоволнового резонаторного датчика.
Ключевые слова: резонаторный датчик, амплитудно-частотная характеристика, чувствительность.
It is shown that measurement method with usage of the area under resonance curve in a resonator sensors as informative parameter is characterized as significantly more sensitivity to a measurand than the method based on measurement of resonance frequency. Example of the method application for determination of a dielectric substance level in a tank by usage of a radiofrequency resonator sensor is considered.
Key words: resonator sensor, amplitude-frequency characteristic, sensitivity.
Резонаторные датчики широко используются для измерений различных физических величин [1, 2]. Информативным параметром таких датчиков обычно служат резонанс-
ная частота, добротность резонатора, входной импеданс и др.
С применением резонаторных датчиков возможно определение многих неэлектрических величин: физических
ч -р
Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика резонаторно-го датчика
свойств веществ, геометрических параметров объектов, различных технологических параметров. Для измерений неэлектрических величин разработаны высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) радиоволновые датчики [3—6]. В качестве информативного параметра таких датчиков используется, в частности, резонансная частота электромагнитных колебаний.
Несмотря на эффективность применения резонатор-ных датчиков, существует возможность увеличения их информационного потенциала. Анализ резонансных характеристик датчиков показывает, что при резонаторных измерениях определенные достоинства имеет такой информативный параметр как площадь под резонансной кривой — амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) датчика.
Согласно предлагаемому методу площадь S(x) под резонансной кривой А(х, С) служит в качестве информативного параметра для измерения параметра х контролируемого объекта (рис. 1), где f — частота зондирующих объект сигналов (волн), изменяемая в пределах диапазона частот [С,, в котором наблюдается резонанс; А(х, С) — амплитуда при текущем значении f частоты генератора частотно-модулированных колебаний. Площадь S(x) выражается формулой
S (х) = | А (х, ^) df.
(1)
Определение площади S, зависящей от измеряемой физической величины х, связано с получением АЧХ для частотного диапазона [£,, С2]. Величина S, служащая информативным параметром, представляет собой площадь, покрываемую значениями амплитуд в диапазоне частот генератора, возбуждающего колебания в резонаторе. Можно показать, что использование площади S обеспечивает увеличение чувствительности к измеряемой физической величине х. Известно, что для эквивалентной схемы резонатора вблизи резонансной частоты f= С
р
А(х, С) = Ао/^^О^р^М)2 .
(2)
Величина А(х, /) представляет собой модуль комплексного коэффициента передачи. Подставив (2) в (1), получим
S (х) = к (х) А0 /р (х) / 2О,
(3)
X, +Л/1 + X2 ( 1
где к(х)=-2; хх, = 2Q- 1|.
Х1 +
5( х)
При резонансе для эквивалентной параллельной схемы И^С-цепи с сосредоточенными параметрами [7]:
Ао = Я = О,
(4)
где И — активное сопротивление; Zc — характеристический импеданс; О — добротность резонатора.
После подстановки (4) в формулу (3) получим
S (х) = к (х) Zc ^ (х) / 2.
(5)
Резонансную частоту Ср(х) можно выразить через емкость С(х) и индуктивность Цх) эквивалентной резонансной схемы:
fp (х) = (х) С (х)
(6)
Поэтому, подставив (6) в (5), найдем
S(x) = к (х) / [4пС (х)].
С учетом начального (при х = 0) значения S0 площади S можно записать
3(х2 = _кМ Sо ко С (х),
где С0 и к0 — соответственно значения С и к при х = 0. Поскольку можно полагать к(х) / к0 = 1,
S (х) / Sо « С0 / С (х).
(7)
Применение метода для ВЧ-измерений неэлектрических величин. В качестве примеров применения данного метода рассмотрим измерение неэлектрических величин с применением радиоволновых ВЧ резонаторных датчиков. Контролируемый объект располагается в электромагнитном поле ВЧ колебательной системы (резонансной схемы с сосредоточенными параметрами, отрезка длинной линии и др.). Так, если измеряемый физический параметр х диэлектрического объекта функционально зависит от его диэлектрической проницаемости е, то изменение АС резонансной частоты Ср(х) ограничивается значением
А f
^ I1
где fp0 — значение Ср при е = 1. Следовательно, чувствительность датчика
8, = Ж. = 1 -
'Ро
Покажем, что определение площади S(x), а не резонансной частоты Ср, обеспечивает значительное увеличение чувствительности резонаторных датчиков. Представим чувствительность датчика относительным изменением площади S
8с = 1 - S(х„
х) / Sо
где хтах — значение х, соответствующее максимуму 85.
С учетом (7) при максимальном значении относительного изменения емкости С получим
s / Sn
C0 / C = e
-1
где C0 — значение C при e = 1. Поэтому
Ss = 1 - e-1.
Рис. 2. Резонаторный датчик уровня жидкости в резервуаре
Ща> slso 1,0
Таким образом, 8S > Sf . П р и м е р. Радиоволновые ВЧ-измерения уровня жидкости в резервуаре. Увеличение чувствительности резонаторных датчиков при использовании площади под резонансной кривой в качестве информативного параметра можно продемонстрировать на конкретных примерах. Рассмотрим задачу измерения уровня диэлектрической жидкости в резервуаре с применением радиоволнового ВЧ-ме-тода измерений. Здесь ВЧ-ре-зонатор —колебательная система с емкостным датчиком, отрезок длинной (коаксиальной, двухпроводной и др.) линии служит в качестве датчика уровня жидкости. Такой ре-зонаторный датчик расположен вертикально в контролируемой жидкости в каком-либо резервуаре. На рис. 2 в качестве примера показан датчик на основе отрезка коаксиальной длинной линии. Изменение заполнения пространства между проводниками датчика (или уровня x жидкости) приводит к соответствующему изменению информативного параметра.
При использовании площади S(x) в качестве информативного параметра формулу (7) можно записать в виде
0 0,4 0,8 *//
Рис. 3. Выходные характеристики датчика:
1 - fP / W
2 — S / Sn
S(x)/S0 = C0 /C(x) =[1+(e-1)x//]'
i-i
(8)
где / — максимальное значение x, соответствующее высоте емкости.
Если же резонансная частота ^ используется в качестве информативного параметра, то в этом случае [3]:
f (x)/f0 = [1+(e-1) x / /]'
1-1/2
(9)
Сравнение зависимостей (8) и (9) показывает, что параметр S(x) чувствительнее к x, чем параметр fp(x).
Экспериментально полученные зависимости fp(x) / fp0
(линия 1) и S(x) / S0 (линия 2) приведены на рис. 3. Резонаторный датчик представляет собой отрезок коаксиальной длинной линии с колебаниями типа ТЕМ, погруженный вертикально в контролируемую жидкость (дизельное топливо). Эти эксперименты подтверждают, что использование площади S(x) под АЧХ, а не резонансной частоты fp в качестве информативного параметра позволяет иметь более высокую чувствительность к измеряемой величине.
Структурная схема устройства для измерения уровня жидкости содержит ВЧ-генератор частотно-модулированных колебаний, возбуждающий электромагнитные колебания типа ТЕМ в резонаторе. Частота колебаний изменяется в диапазоне [f1, f2]. К выходу резонатора последовательно подключены детектор, интегратор и индикатор. Площадь под резонансной кривой S(x) получаем на выходе интегратора.
Таким образом, предлагаемый информативный параметр S(x) является универсальным для резонаторных датчиков, основанных на различных физических принципах (акустическом, электрическом и др.). Этот параметр можно использовать как в существующих, так и во вновь разрабатываемых резонаторных измерительных устройствах. Реализация резонаторных устройств с данным информативным параметром является достаточно простой и связана с регистрацией АЧХ (или зависимости регистрируемой мощности от частоты) и последующим определением площади под резонансной кривой.
Л и т е р а т у р а
1. Нов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.