Спосіб вимірювального перетворення фізичних величин та пристрій для його здійснення

Номер патенту: 115190

Опубліковано: 25.09.2017

Автор: Кондратов Владислав Тимофійович

Є ще 5 сторінок.

Дивитися все сторінки або завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Спосіб вимірювального перетворення фізичних величин, оснований на перетворенні фізичної величини у змінну параметрів r, L, С першого пасивного коливального контуру або його вхідної напруги чи струму, формуванні у першому та другому активних коливальних контурах імпульсів струму високої і стабільної частоти та прямокутної форми і відповідне магнітне поле тієї ж частоти виникнення та з заданою за значенням енергією , де  - максимальне імпульсне значення струму,  - задана частота електромагнітних коливань першого та другого активних коливальних контурів,  i  - індуктивність та ємність першого та другого активних коливальних контурів, , модуляції електричного сигналу, виділенні інформативної складової за допомогою другого пасивного коливального контуру з наступним визначенням середнього чи діючого значення його вихідної напруги, який відрізняється тим, що встановлюють ємнісні та взаємоіндуктивні зв'язки першого та другого активних коливальних контурів, відповідно, з першим та другим пасивними контурами, захищають кожну пару (активних та пасивних) коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів, настроюють усі коливальні контури на одну високу резонансну частоту , виробляють об'ємну коливальну систему замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів заданих розмірів та конфігурації, яку використовують як джерело вільних електронів, перпендикулярно поверхні першого та другого одновиткових коливальних контурів періодично, з низькою частотою комутації, діють імпульсним магнітним полем високої частоти на пласкі одновиткові коливальні контури, за рахунок чого, у просторі між центрами і на поверхні одновиткових коливальних контурів, створюють об'ємну стоячу хвилю складної форми з довжиною хвилі, що дорівнює відстані між центрами пласких одновиткових контурів, у першому пасивному контурі формують постійний чи змінний за значенням струм, пропорціональний фізичній величині, що підлягає вимірювальному перетворенню, направляють дію зазначеного струму проти дії імпульсів струму високої стабільної частоти і заданої за значенням енергії магнітного поля, тим самим модулюють енергію електромагнітного поля високої частоти у першому активному коливальному контурі, у перший півперіод частоти комутації здійснюють передачу енергії модульованого високочастотного електромагнітного поля з першого активного коливального контуру у другий активний коливальний контур за рахунок поздовжньої високочастотної хвилі, яка у другому активному коливальному контурі наводить електрорушійну силу, тобто промодульовану змінну напругу, яку трансформують у другий пасивний коливальний контур з заданим коефіцієнтом трансформації, у парні півперіоди частоти комутації здійснюють зворотну передачу вже не модульованої за значенням енергії вільних електронів з другого активного коливального контуру у перший, повторюють цей процес з низькою частотою комутації протягом всього часу вимірювального перетворення фізичної величини, числове значення досліджуваної фізичної величини визначають за середньовипрямленим чи діючим значенням вихідної напруги другого пасивного коливального контуру.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розширюють смугу пропускання активних коливальних контурів шляхом зменшення ємностей їх конденсаторів до мінімально можливого значення.

3. Пристрій для вимірювального перетворення фізичних величин, що включає в джерело живлення, генератор частоти комутації, що підключений до першого виходу джерела живлення, перший, другий та третій резистори, перший, другий та третій конденсатори і кварц, до кожної з металевих накладок якого підключені паралельно з'єднані між собою першими виводами, перший резистор та перший конденсатор, другий резистор та другий конденсатор, відповідно, другі виводи яких підключені до земляної шини, який відрізняється тим, що у пристрій додатково введені об'ємна коливальна система замкненого типу (резонатор) у виді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів, перший та другий броньові феритові сердечники, перший та другий транзистори, емітери яких підключені до металевих накладок кварцу, бази транзисторів з'єднані з парафазними виходами генератора частоти комутації, а колектори підключені до активних паралельних коливальних контурів, кожний з яких складається з першої та другої індуктивностей та першого і другого конденсаторів, з тісними ємнісними та індуктивними зв'язками з першим та другим пасивними коливальними контурами тієї ж індуктивності і розміщені, попарно, у першому та другому броньових феритових сердечниках, перший вивід першого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вхідною клемою пристрою безпосередньо, другий вивід через перший діод підключений до другої вхідної клеми пристрою, перший вивід другого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вихідною клемою пристрою, другий вивід підключений до другої вихідної клеми через другий діод, причому до вихідних клем додатково підключені паралельно з'єднані між собою третій резистор та третій конденсатор, другий вихід джерела живлення з'єднаний з "холодними" виводами першого та другого активних коливальних контурів, а "гарячі" виводи котушок індуктивності усіх контурів розташовані зі сторони поверхні об'ємної коливальної системи замкненого типу (резонатора) і перпендикулярно до неї.

Текст

Реферат: Винахід належить до області вимірювальної техніки, зокрема до високоточних засобів та способів вимірювального перетворення фізичних величин з застосуванням енергії вільних електронів. Спосіб вимірювального перетворення фізичних величин полягає в тому, що встановлюють тісні ємнісні та взаємоіндуктивні зв'язки першого та другого активних коливальних контурів, з ідентичними пасивними контурами, захищають кожну пару коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів, настроюють усі коливальні контури на одну високу резонансну частоту, виробляють об'ємну коливальну систему замкненого типу, яку використовують як джерело вільних електронів, діють магнітним полем високої частоти, створюють об'ємну стоячу хвилю складної форми, по всьому об'єму стояча хвиля складається з вільних електронів, що коливаються з високою частотою, рухаються вздовж замкненого резонатора, формують об'ємну стоячу хвилю, шар за шаром, з низькою частотою комутації, у першому пасивному контурі формують постійний чи змінний за значенням струм, пропорціональний фізичній величині, що підлягає вимірювальному перетворенню, модулюють енергію електромагнітного поля високої частоти у першому активному коливальному контурі, у передачі енергії високочастотного електромагнітного поля вздовж стоячої хвилі наводить у другому активному коливальному контурі електрорушійну силу, трансформують її у другий пасивний коливальний контур, у другий півперіод частоти комутації перекачують не модульовану за значенням енергію Фермі у перший коливальний контур. При цьому пристрій додатково містить резонатор, броньові феритові сердечники, перший та другий транзистори, емітери яких підключені до металевих накладок високочастотного кварцу. Технічним результатом що досягається даним винаходом є підвищення точності вимірювального перетворення, стабільності частоти та захисту від дії зовнішніх магнітних полів окремо кожної пари коливальних контурів. UA 115190 C2 (12) UA 115190 C2 UA 115190 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до області вимірювальної техніки, зокрема до розробки методів та засобів вимірювального перетворення фізичних величин з використанням енергії вільних електронів простих речовин (міді, алюмінію, срібла тощо). Відомі способи вимірювального перетворення фізичних величин та пристрої для їх відтворення [див. Арш Э.И. Автогенераторные методы и средства измерений. - Μ.; Машиностроение, 1979. - 256. с.], які основані на автогенераторному вимірювальному ефекті (стор. 3), тобто на зміні переметрів сигналу, що генерується, в результаті зміни параметрів коливального контуру при включенні ємнісного, індуктивного чи резистивного сенсора у частотозадаючий ланцюг (коло) автогенератора. Особливістю таких способів та засобів вимірювання є підвищена чутливість та розрізнювальна здатність. Однак ці методи не використовують енергію вільних електронів простих речовин та ефекти взаємодії магнітних полів з вільними електронами цих речовин для забезпечення вимірювального перетворення фізичних величин з більш високою розрізнювальною здатністю та чутливістю, ніж автогенераторні методи. На сьогодні нам не відомі способи використання внутрішньої енергії Фермі простих речовин та пристрої для їх здійснення, які основані на взаємодії магнітних полей з вільними електронами речовини. Поставлена технічна задача створення нового способу вимірювального перетворення фізичних величин на основі використання енергії вільних електронів простих речовин (міді, срібла, свинцю, алюмінію тощо), ефектів взаємодії магнітних полів з вільними електронами простих речовини і переносу їх енергії, ефекту магнітополевої індукції електричних зарядів тощо, при яких забезпечилось би високоточне (зокрема за розрізнювальною здатністю) вимірювальне перетворення величин різної фізичної природи у електричний сигнал при наявності трансформаторних зв'язків між вхідним та вихідним коливальними контурами, а також виключення похибок, що обумовлені нестабільністю параметрів загальної функції перетворення каналу передачі енергії під дією зовнішніх дестабілізуючих факторів. Вирішення поставленої технічної задачі досягається тим, що спосіб вимірювального перетворення фізичних величин та пристрій для його здійснення, оснований на перетворенні фізичної величини у зміну r, L, С параметрів першого пасивного коливального контуру або його вхідної напруги чи струму, формуванні у першому та другому активних коливальних контурах імпульсів струму високої і стабільної частоти та прямокутної форми і відповідне магнітне поле 2 тієї ж частоти виникнення та з заданою за значенням енергією W0м  L 0 Im k 2 , де Im максимальне 35 40 45 50 55 імпульсне значення струму; - апріорі задана частота 0  L 0C0 електромагнітних коливань першого та другого активних коливальних контурів; L 0 I C0 індуктивність та ємність першого та другого активних коливальних контурів; k 2  2 , модуляції електричного сигналу, виділенні інформативної складової за допомогою другого пасивного коливального контуру з наступним визначенням середнього чи діючого значення його вихідної напруги. Полягає в тому, що встановлюють тісні ємнісні та взаємоіндуктивні зв'язки першого та другого активних коливальних контурів, відповідно, з першим та другим ідентичними пасивними контурами, захищають кожну пару (активних та пасивних) коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів, настроюють усі коливальні контури на одну високу резонансну частоту 0 , виробляють об'ємну коливальну систему замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів апріорі заданих розмірів (товщини, довжини та ширини) та конфігурації, яку використовують як джерело вільних електронів, перпендикулярно поверхні першого, а потім другого одновиткових коливальних контурів періодично, з низькою частотою комутації, діють силовими лініями напруженості магнітного поля високої частоти і у такий спосіб за допомогою силової дії магнітного поля на вільні електрони здійснюють почергове видавлювання їх з першого у другий і з другого у перший пласкі одновиткові коливальні контури, у просторі між центрами і на поверхні одновиткових коливальних контурів створюють об'ємну стоячу хвилю складної форми з довжиною хвилі, що дорівнює відстані між центрами пласких одновиткових контурів, по всьому об'єму стояча хвиля складається з вільних електронів, що коливаються з високою частотою, рухаються вздовж замкненого резонатора і формують об'ємну стоячу хвилю, шар за шаром, з низькою частотою комутації, у першому пасивному контурі формують постійний чи змінний за значенням струм (що створює інформативну напруженість постійного чи змінного магнітного поля), пропорціональний фізичній величині, що підлягає вимірювальному перетворенню, направляють дію зазначеного струму (і відповідну енергію магнітного поля першого пасивного 1 UA 115190 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 коливального контуру) проти дії імпульсів струму високої стабільної частоти і заданої за значенням енергії магнітного поля і тим самим модулюють енергію електромагнітного поля високої частоти у першому активному коливальному контурі, у перший півперіод частоти комутації перекачують промодульовану енергію Фермі з першого активного коливального контуру у другий активний коливальний контур (тобто зліва направо) за рахунок поздовжньої високочатотної хвилі, завдяки цьому у першому напівперіоді частоти комутації передача енергії високочастотного електромагнітного поля вздовж стоячої хвилі наводить у другому активному коливальному контурі електрорушійну силу, тобто промодульовану змінну напругу, трансформують її у другий пасивний коливальний контур в апріорі заданим коефіцієнтом трансформації, у другий півперіод частоти комутації перекачують (повертають назад) вже немодульовану за значенням енергію Фермі з другого активного коливального контуру перший (тобто справа наліво), повторюють цей процес з низькою частотою комутації протягом всього часу вимірювального перетворення фізичної величини, а про числове значення досліджуваної фізичної величини судять за середньовипрямленим чи за діючим значенням вихідної напруги другого пасивного коливального контуру. 2. Спосіб за п. 1, відрізняється тим, що з метою підвищення чутливості вимірювального перетворення фізичних величин у електричний сигнал, розширюють смугу пропускання активних коливальних контурів вверх шляхом зменшення ємностей їх конденсаторів до мінімального можливого значення. 3. Пристрій для вимірювального перетворення фізичних величин, що включає в собі джерело живлення, генератор частоти комутації, що підключений до першого виходу джерела живлення, перший, другий та третій резистори, перший, другий та третій конденсатори і високочастотний кварц, до кожної з металевих накладок якого підключені паралельно з'єднані між собою першими виводами перший резистор та перший конденсатор, другий резистор та другий конденсатор, відповідно, другі виводи яких підключені до земляної шини, від відомих відрізняється тим, що у пристрій додатково введені об'ємна коливальна система замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів, броньовий феритовий сердечник, перший та другий транзистори, емітери яких підключені до металевих накладок кварца, бази транзисторів з'єднані з парафазними виходами генератора частоти комутації, колектори підключені до ідентичних між собою активних паралельних коливальних контурів з тісними ємністними та індуктивними зв'язками з першим та другим пасивними коливальними контурами тієї ж індуктивності і розміщені, попарно, у броньових феритових сердечниках, перший вивід першого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вхідною клемою пристрою безпосередньо, другий вивід через діод підключений до другої вхідної клеми пристрою, перший вивід другого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вихідною клемою пристрою, другий вивід підключений до другої вихідної клеми через другий діод, до вихідних клем додатково підключені паралельно з'єднані між собою резистор та конденсатор, при цьому другий вихід джерела живлення з'єднаний з "холодними" кінцями першого та другого активних коливальних контурів, гарячі виводи усіх контурів розташовують зі сторони поверхні об'ємної коливальної системи замкненого типу (резонатора) і перпендикулярно до неї. На Фіг. 1 наведені електричні схеми коливальних контурів, де L 1 - індуктивність першого пасивного коливального контуру; L 3 і C1 індуктивність та ємність першого активного коливального контуру; i1 і i2 - струми через пасивний та активний коливальні контури, що направлені протилежно один до одного. На Фіг. 2, а, б. наведено ідеалізоване об'ємне графічне зображення тримірної стоячої хвилі, яка формується на поверхні мідних пласких одновиткових коливальних контурів резонатора (об'ємної коливальної системи замкненого типу), на Фіг. 3 - зовнішній вигляд броньового феритового сердечника. На Фіг. 4 наведена функціональна схема пристрою для вимірювального перетворення фізичних величин, де використані наступні позначення: 1 - генератор частоти комутації; 2 кварц; 3 і 4 - перший та другий транзистори; 5, 6 і 7 - перший, другий і третій резистори; 8, 9 і 10 - перший, другий і третій конденсатори; 11 і 12 - перший та другий конденсатори, відповідно, першого та другого коливальних контурів; 13 і 14 - перший та другий діоди; 15, 16 - котушки індуктивностей першого та другого пасивних коливальний контурів, відповідно; 17 і 18 - котушки індуктивності першого та другого активних коливальних контурів; 19 і 20 - броньовані феритові сердечники першої та другої пар коливальних контурів відповідно; 21 - об'ємна коливальна система замкненого типу (резонатор), що виконана у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів; 22 - джерело живлення. 2 UA 115190 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 На Фіг. 5 наведені схеми включення сенсорів у перший пасивний коливальний контур вимірювального перетворювача фізичних величин, де використані наступні позначення: χ фізична величина, що підлягає вимірювальному перетворенню; Rx - опір резистивного сенсора; Сх – ємність емнісного сенсора; ФД - фотодіод; ДН - джерело напруги, яка підлягає вимірювальному перетворенню; ДС джерело струму, який підлягає вимірювальному перетворенню. Як ДН і ДС може використовуватися той чи інший сенсор, вихідним сигналом якого є напруга чи струм. Слід зазначити, що пристрій для вимірювального перетворення фізичних величин, включає в себе джерело живлення 22, генератор частоти комутації 1, що підключений до першого виходу джерела живлення 22, перший, другий та третій резистори 5, 6, 7, перший, другий та третій конденсатори 8, 9, 10 і високочастотний кварц 2. До кожної з металевих накладок кварца 2 підключені паралельно з'єднані між собою першими виводами перший резистор 5 та перший конденсатор 8, другий резистор 6 та другий конденсатор 9, відповідно, другі виводи яких підключені до земляної шини. Від відомих пристрій відрізняється тим, що у нього додатково введені об'ємна коливальна система 21 замкненого типу (резонатор), що виконана у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів. Крім того, введені перший та другий броньовані феритові сердечники 19 і 20, перший та другий транзистори 3 і 4. Емітери транзисторів 3 і 4 підключені до металевих накладок кварцу 2, бази транзисторів 3 і 4 з'єднані з парафазними виходами генератора частоти комутації 1, колектори підключені до ідентичних між собою активних паралельних коливальних контурів, кожний з яких складаються з індуктивності 17 (18) і конденсатора 11(12) з тісними ємнісними та індуктивними зв'язками з першим та другим пасивними коливальними контурами 15 і 16 тієї ж індуктивності. Усі коливальні контури розміщені, попарно, у броньових феритових сердечниках 19 і 20. Перший вивід першого пасивного коливального контуру, що складається тільки з індуктивності 15, з'єднаний з першою вхідною клемою пристрою безпосередньо, другий вивід котушки індуктивності 15 через діод 13 підключений до другої вхідної клеми пристрою. Перший вивід другого пасивного коливального контуру з індуктивністю 16 з'єднаний з першою вихідною клемою пристрою, другий вивід котушки індуктивності 16 підключений до другої вихідної клеми через другий діод 14. До вихідних клем пристрою додатково підключені паралельно з'єднані між собою резистор 7 та конденсатор 10. При цьому другий вихід джерела живлення 22 з'єднаний з "холодними" кінцями першого та другого активних коливальних контурів (див. Фіг. 1). Гарячі виводи котушок індуктивностей 15, 16, 17 і 18 усіх контурів розташовують зі сторони поверхні об'ємної коливальної системи 21 замкненого типу (резонатора) і перпендикулярно до неї. Суть способу вимірювального перетворення фізичних величин полягає в наступному. Фізичну величину, що підлягає вимірювальному перетворенню, попередньо перетворюють у змінну активного опору r , індуктивності L чи ємності C , тобто параметрів першого пасивного коливального контуру або його вхідної напруги чи струму від зовнішнього джерела. В результаті їх зміни струм i x t  у першому пасивному коливальному контурі також буде змінюватися. У першому та другому активних коливальних контурах формують імпульси струму високої і стабільної частоти 0  L 0C0 і прямокутної форми, де L 0 і C0 індуктивність та ємність першого та другого активних коливальних контурів, та відповідне магнітне поле тієї ж частоти виникнення і заданої за значенням енергії 45 2 W0м  L 0 Im k 2 , (1) де Im - максимальне імпульсне значення струму; k 2  2 . Струм високої частоти математчно описується рівнянням величин  sink n  k  t  k 2 1 0 , it   Im  1    k 2n  k1  k 2 n 1    (2) 50 де k1  1 , k 2  2 ; Im - амплітудне значення струму у активному коливальному контурі. Повна енергія, що виникає у активному коливальному контурі від дії струму (2), є незмінною, тобто 3 UA 115190 C2 2 W0  We  Wм  q2 k 2C0  L 0it 2 k 2  qm k 2C0  const , (3) де q i qm - заряд конденсатора та його максимальне значення, причому повна енергія магнітного поля описується рівнянням величин 2 W0м  L 0 Im k 2 , (4) 5 10 15 20 25 30 де Im  0qm - струм та його максимальне імпульсне значення, при постійній повній енергії W0  W0м  const , Встановлюють тісні ємнісні та взаємоіндуктивні зв'язки першого та другого активних коливальних контурів, відповідно, з першим та другим ідентичними пасивними коливальними контурами. Захищають кожну пару (активних та пасивних) коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів шляхом, наприклад, розміщення їх у броньованому феритовому сердечнику (див. Фіг. 1, в, пунктирна лінія). При цьому "гарячі" кінці котушок індуктивностей коливальних контурів розташовують з однієї сторони поверхні мідних пласких одновиткових коливальних контурів резонатора, як показано на Фіг. 1, б, в. Захищають кожну пару (активних та пасивних) коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів шляхом, наприклад, розташування елементів схеми в броньових феритових сердечниках (див. пунктирну лінію на Фіг. 1,в та зовнішній вид броньового феритового сердечника на Фіг. 3). Настроюють усі коливальні контури на одну високу резонансну частоту 0 . Виробляють об'ємну коливальну систему замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів апріорі заданих розмірів (товщини, довжини та ширини) та конфігурації, яку використовують як джерело вільних електронів. Перпендикулярно поверхні першого, а потім другого одновиткових коливальних контурів періодично, з низькою частотою комутації к , діють силовими лініями напруженості імпульсного магнітного поля високої частоти f0  0 k 2 , що формується струмом (2) у першому та другому активних коливальних контурах. Таким чином, у першому і другому активних коливальних контурах формуються пачки високочастотного струму: у першому активному коливальному контурі –  sink n  k  t  k 2 1 к , i1t   Im sin 0 t  1    k 2n  k1  k 2 n 1    35 (5) у другому активному коливальному контурі –  sink n  k  t  k 2 1 к , i 2 t   Im sin 0 t  1    k 2 n 1 k 2n  k1     40 45 (6) де k1  1 , k 2  2 ; Im - амплітудне значення струму у коливальних контурах. У такий спосіб за допомогою силової дії магнітного поля на вільні електрони здійснюють почергове видавлювання їх з першого у другий і з другого у перший пласкі одновиткові коливальні контури резонатора. У просторі між центрами і на поверхні одновиткових коливальних контурів створюється об'ємна стояча хвиля складної форми (див. Фіг. 2, а, б). Довжин півхвилі  c k 2 дорівнює відстані між центрами пласких одновиткових контурів. Формування стоячої хвилі здійснюють за допомогою магнітних полів високої частоти, що формують в активних коливальних контурах за допомогою струмів (5) і (6). В результаті дії цих полів з усієї кількості вільних електронів періодично формують стоячу (дихаючу) хвилю складної форми перпендикулярно площі 4 UA 115190 C2 5 10 15 20 резонатора (див. Фіг. 2, вектори напруженості магнітних силових ліній). Період виникнення стоячої хвилі дорівнює періоду частоти комутації Tк  k 2 к . Слід зазначити, що по всьому об'єму стояча хвиля складається з вільних електронів, що коливаються з високою частотою перпендикулярно площі пласких одновиткових коливальних контурів, одночасно рухаються вздовж (по контуру) замкненого резонатора і формують об'ємну стоячу хвилю, шар за шаром, з низькою частотою комутації. В цьому й полягає основна особливість явища передачі енергії вільних електронів вздовж стоячої хвилі. Як відомо [див. Волны, атомы и твердые тела /В.А. Дэвис. - Киев: Наук. думка, 1981. - 284 с.], рівняння стоячої хвилі описується рівнянням величин t   Umc sinkl x  к t   Umc sinkl x  к t   k 2Umc sinkl x cos к t , де lx - відстань між вузлами чи пучностями lx  0, c k 2, c ,..., n  1c k 2,k 2  2,n  12,3,... ; , Umc - амплітудне значення стоячої хвилі. Слід зазначити, що просторовий фактор Umc sin kl x задає амплітуду хвилі в кожній точці і синусоїдальну форму профілю хвилі протягом всього часу, а часовий фактор визначає масштаб профілю (по ординаті) в кожний момент часу. Хвильова функція (7) має просторову періодичність k 2 k   c , так як фазовий кут kl x повторюється кожний раз при збільшенні lx на k 2  k . Для запропонованого способу вимірювального перетворення фізичних величин запишемо аналітичні вирази для стоячої хвилі для двох півперіодів частоти комутації: для амплітудномодульованої стоячої хвилі (во високій частоті) у першому півперіоді частоти комутації маємо ic1t   i1t 1  m  ix sinkl x  к t   sinkl x  к t   i1t 1  m  ix sinkl x  cos к t , 25 35 (8) де i1t  - струм стоячої хвилі у перший півперіод частоти комутації; високочастотних струмів; ix  - струм від сенсора фізичної величини x ; m - коефіцієнт модуляції; для немодульованої стоячої хвилі у другому півперіоді низької частоти комутації ic2 t   i2 t sinkl x  к t   sinkl x  к t   i2 t sinkl x cos к t , 30 (7) (9) i 2 t  - струм стоячої хвилі у другий півперіод низької частоти комутації - високочастотних струмів. Слід зазначити, що постійний чи змінний за значенням струм ix  , який створює інформативну напруженість постійного чи змінного магнітного поля, формують у першому пасивному контурі пропорційно фізичній величині, тобто ix   Sx , (10) де S - крутість перетворення; x - фізична величина, що підлягає вимірювальному перетворенню, чи ix   Sx t  . 40 45 50 (11) Дію зазначеного струму ix  (10) чи (11) (і відповідну енергію магнітного поля першого пасивного коливального контуру) направляють проти дії струму високої стабільної частоти і заданої за значенням енергії магнітного поля. Таким чином модулюють енергію імпульсного електромагнітного поля високої частоти у першому активному коливальному контурі у першій півперіод низької частоти комутації. У перший півперіод низької частоти комутації перекачують промодульовану енергію Фермі з першого активного коливального контуру у другий активний коливальний контур (тобто зліва направо) за рахунок поздовжньої високочатотної хвилі. Завдяки цьому у першому напівперіоді частоти комутації передача енергії високочастотного електромагнітного поля вздовж стоячої хвилі (рух електронів) наводить у другому активному 5 UA 115190 C2 5 10 коливному контурі електрорушійну силу uepc x   kпix  , де k п - коефіцієнт пропорційності чи постійна передачі енергії з першого у другий високочастотний активний коливальний контур. Зазначена ерс пропорційна струму ix  (10) чи (11). Отриману напругу (ерс) трансформують у другий пасивний коливальний контур апріорі заданим коефіцієнтом трансформації k Т . У другий півперіод низької частоти комутації перекачують (повертають назад) вже немодульовану за значенням енергію Фермі з другого активного коливального контуру у перший (тобто справа на ліво). При цьому "видавлюють" електрони у перший одновитковий коливальний контур немодульованими високочастотними імпульсами магнітного поля. Повторюють цей процес з низькою частотою комутації протягом всього часу вимірювального перетворення фізичної величини. Про числове значення досліджуваної фізичної величини судять за середньовипрямленим чи за діючим значенням вихідної напруги другого пасивного коливального контуру: середньовипрямленим значенням вихідної напруги 15 Uсв  Rн ' Тк ' Тк  ix, t  dt  k Т S1ix  , (12) 0 ' де Т к  nTк - час інтегрування, що дорівнює декільком періодам частоти комутації n  1 10 ; Rн - опір навантаження другого пасивного коливального контуру; ix, t  - струм у 20 другому пасивному навантаженому коливальному контурі; S1 - крутість перетворення струму першого пасивного коливального контуру у вихідну напругу (середньовипрямленого значення) другого коливального контуру, чи за діючим значенням – Uд  25 30 35 40 45 50 k1 ' Тк 2  ix, t Rн  t dt ' Тк 0  k Т Sп2ix  , (13) де Sп2  k фSп1 - крутість перетворення струму першого пасивного коливального контуру у вихідну напругу (діючого значення) другого коливального контуру. Спосіб за п. 1, відрізняється тим, що з метою підвищення чутливості вимірювального перетворення фізичних величин у електричний сигнал, розширюють смугу пропускання активних коливальних контурів вверх шляхом зменшення ємностей їх конденсаторів до мінімально можливого значення, зокрема, наприклад, шляхом виключення конденсаторів 11 та 12 зі схеми (Фіг. 4). Таким чином, запропонована сукупність та послідовність операцій забезпечують створення нового способу вимірювального перетворення фізичних величин на основі використання енергії вільних електронів простих речовин (міді, срібла, свинцю, алюмінію тощо), ефектів взаємодії магнітних полів з вільними електронами простих речовини і переносу їх енергії, ефекту магнітополевої індукції електричних зарядів тощо. При цьому вперше забезпечено високоточне вимірювальне перетворення величин різної фізичної природи у електричний сигнал з підвищеною розрізнювальною здатністю та чутливістю при наявності трансформаторних зв'язків між вхідним та вихідним коливальними контурами. Точність вимірювального перетворення забезпечується за рахунок використання імпульсів струму високої (наприклад 5000000 гЦ) і стабільної частоти і прямокутної форми, та використання відповідного магнітного поля тієї ж частоти виникнення і заданої постійної за значенням енергії (1). Підвищення точності забезпечується також за рахунок формування синфазного сигналу частоти комутації (1000 гЦ) зі скважністю два шляхом ділення високої частоти у задане число разів, наприклад, у 5000 разів, тобто 5 МгЦ: 5000=1 кгЦ. Крім того, підвищення точності досягається за рахунок встановлення тісних ємнісних та взаємоіндуктивних зв'язків першого та другого активних коливальних контурів, відповідно, з першим та другим ідентичними пасивними контурами та захисту від дії зовнішніх магнітних полів окремо кожної пари (активних та пасивних) коливальних контурів. Підвищення розрізнювальної здатності та чутливості здійснюється за рахунок збільшення енергії вільних електронів простих речовин, таких як мідь, срібло, свинець, алюміній тощо). 6 UA 115190 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Дійсно, у запропонованому способі використовують об'ємну коливальну систему замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів апріорі заданих розмірів (товщини, довжини та ширини) та конфігурації. Цю коливальну систему використовують як джерело вільних електронів з відповідною енергією Фермі. З підвищенням товщини чи об'єму коливальної системи підвищується й кількість вільних електронів, а значить енергія Фермі та розрізнювальна здатність. Додаткове використання ефекту взаємодії магнітних полів з вільними електронами простих речовини і переносу їх енергії та ефекту магнітополевої індукції електричних зарядів також підвищує точність та розрізняну здатність запропонованого способу вимірювального перетворення фізичних величин. Все вищезазначене забезпечує високоточне вимірювальне перетворення величин різної фізичної природи у електричний сигнал з підвищеною розрізнювальною здатністю та чутливістю. Пояснимо суть запропонованого способу на прикладі роботи пристрою для вимірювального перетворення фізичних величин (Фіг. 4). Слід зазначити, що сенсори фізичних величин до першого пасивного коливального контуру підключають, як показано на Фіг. 5. Після включення джерела живлення 22, починає роботу генератор 1 низької частоти комутації к (як останній може бути використаний симетричний мультивібратор). Почергово, з частотою комутації здійснюється подача прямокутних високочастотних імпульсів, що генерує кварц 2 і підсилюють транзистори 3 і 4, на перший коливальний контур, що складається з котушки індуктивності 17 і ємності 11, та на другий коливальний контур, що складається з котушки індуктивності 18 і ємності 12. При цьому у перший півперіод частоти комутації високочастотні імпульси струму (5) подаються на перший активний коливальний контур, а у другий півперіод імпульси струму (6) подаються на другий активний коливальний контур. Слід зазначити, що в пристрої використовуються ідентичні між собою активні паралельні коливальні контури, які за допомогою ємнісних та індуктивних зв'язків пов'язані з першим та другим пасивними коливальними контурами з такими ж катушками індуктивностей. Ці контури розміщені в броньованих феритових сердечниках 19 і 20 (Фіг. 4). Зовнішній вигляд броньованого феритового сердечника приведений на Фіг. 3. За допомогою силової дії магнітного поля на вільні електрони здійснюється почергове видавлювання їх з першого у другий і з другого у перший пласкі одновиткові коливальні контури резонатора 21. У просторі між центрами і на поверхні одновиткових коливальних контурів резонатора 21 створюється об'ємна стояча хвиля складної форми (див. Фіг. 2, а, б). Довжина хвилі Лс дорівнює відстані між зовнішніми краями пласких одновиткових контурів резонатора (краями резонатора). Формування стоячої хвилі здійснюється за допомогою магнітних полів високої частоти, що формуються в активних коливальних контурах за допомогою струмів (5) і (6). В результаті дії цих полів з усієї кількості вільних електронів періодично й формується стояча хвиля складної форми перпендикулярно площі резонатора (див. Фіг. 2, вектори напруженості магнітних силових ліній). Період виникнення стоячої хвилі дорівнює періоду частоти комутації Tк  k 2 к . Згідно з описаним способом, постійний чи змінний за значенням струм ix  (10) чи (11), який створює інформативну напруженість постійного чи змінного магнітного поля, формують у першому пасивному контурі пропорційно фізичній величині x , Дію зазначеного струму направляють проти дії імпульсів струму високої стабільної частоти і заданої за значенням енергії магнітного поля. Таким чином, у першому активному коливальному контурі в кожному непарному півперіоді частоти комутації енергію імпульсного електромагнітного поля високої частоти модулюють сигналом ix  від сенсора. У першому півперіоді частоти комутації здійснюється передача енергії модульованого високочастотного електромагнітного поля вздовж стоячої хвилі (рух електронів). В результаті у другому активному коливальному контурі наводиться електрорушійна сила uepc x   kпix  , де k п - коефіцієнт пропорційності, яка пропорційна струму ix  . Отриману напругу трансформують з апріорі заданим коефіцієнтом трансформації k п у другий пасивний коливальний контур 16 (див. Фіг. 4, систему контурів, що розміщені у другому броньованому феритовому сердечнику 20). У парні напівперіоди частоти комутації перекачують (повертають назад) вже немодульовану за значенням енергію вільних електронів з другого активного коливального контура у перший (див. Фіг. 4, систему контурів, що розміщені у першому броньовааному феритовому сердечнику 19). Це пояснюється тим, що електрони у перший одновитковий коливальний контур резонатора 21 "видавлюють" немодульованими високочастотними імпульсами магнітного поля. 7 UA 115190 C2 5 10 15 Цей процес повторюється з низькою частотою комутації протягом всього часу вимірювального перетворення фізичної величини. Вихідна напруга з виходу (Вих.) пристрою подається, як правило, на вхід аналого-цифрового перетворювача (на Фіг. 4 на показано). Так здійснюється вимірювальне перетворення струму, пропорційного значенню фізичної величини, у вихідну напругу. Завдяки введенню в пристрій для вимірювального перетворення фізичних величин нових функціональних блоків та зв'язків як між цими блоками, так й з іншими функціональними блоками пристрою забезпечується технічне вирішення поставленої задачі. Таким чином, запропонований спосіб вимірювального перетворення фізичних величин та пристрій для його здійснення, забезпечують вирішення поставленої технічної задачі створення нового способу вимірювального перетворення фізичних величин на основі використання енергії вільних електронів простих речовин, зокрема міді, з якої виготовлена об'ємна коливальна система замкненого типу (резонатор), ефектів взаємодії високочастотних магнітних полів з заданою кількістю вільних електронів у резонаторі і переносу їх енергії, ефекту магнітополевої індукції електричних зарядів тощо, при яких забезпечується високоточне вимірювальне перетворення величин різної фізичної природи у постійний чи змінний електричні сигнали з високою розрізнювальною здатністю і чутливістю при наявності трансформаторних зв'язків між вхідним та вихідним коливальними контурами. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 1. Спосіб вимірювального перетворення фізичних величин, оснований на перетворенні фізичної величини у змінну параметрів r, L, С першого пасивного коливального контуру або його вхідної напруги чи струму, формуванні у першому та другому активних коливальних контурах імпульсів струму високої і стабільної частоти та прямокутної форми і відповідне магнітне поле тієї ж 2 частоти виникнення та з заданою за значенням енергією W0м  L 0 Im k 2 , , де Im - максимальне 30 35 40 45 50 55 імпульсне значення струму, 0  L 0C0 - задана частота електромагнітних коливань першого та другого активних коливальних контурів, L0 i C0 - індуктивність та ємність першого та другого активних коливальних контурів, k2=2, модуляції електричного сигналу, виділенні інформативної складової за допомогою другого пасивного коливального контуру з наступним визначенням середнього чи діючого значення його вихідної напруги, який відрізняється тим, що встановлюють ємнісні та взаємоіндуктивні зв'язки першого та другого активних коливальних контурів, відповідно, з першим та другим пасивними контурами, захищають кожну пару (активних та пасивних) коливальних контурів від дії зовнішніх магнітних полів, настроюють усі коливальні контури на одну високу резонансну частоту ω0 , виробляють об'ємну коливальну систему замкненого типу (резонатор) у вигляді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів заданих розмірів та конфігурації, яку використовують як джерело вільних електронів, перпендикулярно поверхні першого та другого одновиткових коливальних контурів періодично, з низькою частотою комутації, діють імпульсним магнітним полем високої частоти на пласкі одновиткові коливальні контури, за рахунок чого, у просторі між центрами і на поверхні одновиткових коливальних контурів, створюють об'ємну стоячу хвилю складної форми з довжиною хвилі, що дорівнює відстані між центрами пласких одновиткових контурів, у першому пасивному контурі формують постійний чи змінний за значенням струм, пропорціональний фізичній величині, що підлягає вимірювальному перетворенню, направляють дію зазначеного струму проти дії імпульсів струму високої стабільної частоти і заданої за значенням енергії магнітного поля, тим самим модулюють енергію електромагнітного поля високої частоти у першому активному коливальному контурі, у перший півперіод частоти комутації здійснюють передачу енергії модульованого високочастотного електромагнітного поля з першого активного коливального контуру у другий активний коливальний контур за рахунок поздовжньої високочастотної хвилі, яка у другому активному коливальному контурі наводить електрорушійну силу, тобто промодульовану змінну напругу, яку трансформують у другий пасивний коливальний контур з заданим коефіцієнтом трансформації, у парні півперіоди частоти комутації здійснюють зворотну передачу вже не модульованої за значенням енергії вільних електронів з другого активного коливального контуру у перший, повторюють цей процес з низькою частотою комутації протягом всього часу вимірювального перетворення фізичної величини, числове значення досліджуваної фізичної величини визначають за середньовипрямленим чи діючим значенням вихідної напруги другого пасивного коливального контуру. 8 UA 115190 C2 5 10 15 20 25 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розширюють смугу пропускання активних коливальних контурів шляхом зменшення ємностей їх конденсаторів до мінімально можливого значення. 3. Пристрій для вимірювального перетворення фізичних величин, що включає в джерело живлення, генератор частоти комутації, що підключений до першого виходу джерела живлення, перший, другий та третій резистори, перший, другий та третій конденсатори і кварц, до кожної з металевих накладок якого підключені паралельно з'єднані між собою першими виводами, перший резистор та перший конденсатор, другий резистор та другий конденсатор, відповідно, другі виводи яких підключені до земляної шини, який відрізняється тим, що у пристрій додатково введені об'ємна коливальна система замкненого типу (резонатор) у виді двох паралельно з'єднаних між собою мідних пласких одновиткових коливальних контурів, перший та другий броньові феритові сердечники, перший та другий транзистори, емітери яких підключені до металевих накладок кварцу, бази транзисторів з'єднані з парафазними виходами генератора частоти комутації, а колектори підключені до активних паралельних коливальних контурів, кожний з яких складається з першої та другої індуктивностей та першого і другого конденсаторів, з тісними ємнісними та індуктивними зв'язками з першим та другим пасивними коливальними контурами тієї ж індуктивності і розміщені, попарно, у першому та другому броньових феритових сердечниках, перший вивід першого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вхідною клемою пристрою безпосередньо, другий вивід через перший діод підключений до другої вхідної клеми пристрою, перший вивід другого пасивного коливального контуру з'єднаний з першою вихідною клемою пристрою, другий вивід підключений до другої вихідної клеми через другий діод, причому до вихідних клем додатково підключені паралельно з'єднані між собою третій резистор та третій конденсатор, другий вихід джерела живлення з'єднаний з "холодними" виводами першого та другого активних коливальних контурів, а "гарячі" виводи котушок індуктивності усіх контурів розташовані зі сторони поверхні об'ємної коливальної системи замкненого типу (резонатора) і перпендикулярно до неї. 9 UA 115190 C2 10 UA 115190 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 11

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: G01R 27/26, H02M 7/00, G01D 21/00

Мітки: вимірювального, перетворення, спосіб, пристрій, здійснення, величин, фізичних

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/13-115190-sposib-vimiryuvalnogo-peretvorennya-fizichnikh-velichin-ta-pristrijj-dlya-jjogo-zdijjsnennya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб вимірювального перетворення фізичних величин та пристрій для його здійснення</a>

Подібні патенти