Przedmiotem wynalazku jest homodynowy uklad mikrofalowy do jednoczesnego pomiaru tlumienia i kati przesuniecia fazowego sygnalu mikrofalo¬ wego dostarczajacy w swych obwodach wyjscio¬ wych sygnalów elektrycznych proporcjonalnych do 5 wartosci mierzonego tlumienia i kata przesuniecia fazowego oraz do wartosci parametrów metrolo¬ gicznych ukladu majacych decydujacy wplyw na niedokladnosc wyniku pomiaru kazdej z mierzo¬ nychwielkosci. 10 Stan techniki. Znane sa dwukanalowe, homody- nowe uklady mikrofalowe do jednoczesnego po¬ miaru tlumienia i kata przesuniecia fazowego sygnalu mikrofalowego zawierajace zródlo sygnalu mikrofalowego fali ciaglej zasilajace poprzez roz- 15 galezienie mocy kanal odniesienia i kanal pomia¬ rowy (B.A. Howarth i T.J.F. Pavlasek: „Analysis of Automatic Homodyne Method Amplitude and Phase Measurements", IEEE Trans, on MTT, wrze¬ sien1972). 20 W kanale odniesienia umieszczony jest regulo¬ wany, wzorcowy przesuwnik fazowy t-pN- Za tym przesuwnikiem kanal odniesienia dzieli sie na dwie galezie. Sygnaly mikrofalowe z obu tych galezi' doprowadzane sa do detektorów zrównowazonych, 25 z jednej galezi bezposrednio, a z drugiej przez mikrofalowy przesuwnik fazowy o —— radiana.Do tych samych detektorów doprowadzony jest równoczesnie sygnal z kanalu pomiarowego zmo- 30 dulowany w amplitudzie i przepuszczony przez obszar pomiarowy zawierajacy badany element badz material i wprowadzajacy do kanalu mie¬ rzone tlumienia Ax i kat przesuniecia fazowego qpx. Do jednego z detektorów sygnal ten doprowa¬ dzony jest bezposrednio, a do drugiego przez regulowany tlumik wzorcowy AN. Do kazdego z detektorów doprowadzony jest ostatecznie sy¬ gnal z kanalu odniesienia i z kanalu pomiarowego i jako suma wektorowa obu tych sygnalów pod¬ dawany detekcji homodynowej.Sygnaly wyjsciowe obu detektorów o pulsacji modulacji wzmacniane sa selektywnie i poprzez serwomechanizmy steruja odpowiednio regulowa¬ nym wzorcowym przesuwnikiem fazy (pN i regu¬ lowanym tlumikiem wzorcowym AN. Sygnal elek¬ tryczny proporcjonalny do cpx reguluje nastawienie przesuwnika fazy cpN w taki sposób, by zreduko¬ wac swa wartosc do zera. Kazdej zmianie wartosci kata cpx odpowiada równowazona jej zmiana kata przesuniecia fazowego qpN- Odczyt wyniku pomiaru kata przesuniecia fazo¬ wego dokonywany jest ze skali wzorcowego prze¬ suwnika fazowego. Sygnal elektryczny proporcjo¬ nalny do Ax doprowadzony jest do jednego z wejsc wzmacniacza róznicowego. Do drugiego wejscia tego wzmacniacza doprowadzony jest sygnal o tej samej pulsacji uzyskany w wyniku zmieszania dwóch sygnalów mikrofalowych, sygnalu fali ciag¬ lej pobranego z kanalu odniesienia przed wzorco- 108 109108 109 wym przesuwnikiem fazy i sygnalu modulowanego pobranego z kanalu pomiarowego przed obszarem pomiarowym. Sygnal ten jest proporcjonalny do mocy zródla sygnalu mikrofalowego i amplitudy sygnalu modulujacego i wykorzystywany jest jako 5 sygnal odniesienia wzmacniacza róznicowego. Sy¬ gnal wyjsciowy tego wzmacniacza reguluje nasta¬ wienie tlumika wzorcowego AN i utrzymuje sume obu tlumien, wzorcowego i mierzonego, na stalej wartosci, redukujac swa wartosc do zera. Kazdej 10 zmianie wartosci tlumienia Ax odpowiada równo¬ wazna jej, lecz przeciwnie skierowana zmiana tlu¬ mienia An. Odczyt wyniku pomiaru tlumienia do¬ konywany jest ze skali tlumika wzorcowego. Za¬ leznosc wyniku pomiaru tlumienia od mocy zródla 15 sygnalu mikrofalowego i amplitudy sygnalu mo¬ dulujacego jest w takim ukladzie ograniczona.Przedstawione rozwiazanie dostosowane jest do laboratoryjnych warunków eksploatacji i w wa¬ runkach przemyslowych, przy wymaganych okre- 20 sach ciaglego dzialania liczonych w jednostkach rocznych oraz przy wystepujacych oddzialywaniach mechaniczno-klimatycznych, nie moze byc stoso¬ wane. Decydujacymi czynnikami w tym wzgledzie sa: zbyt skomplikowane postepowanie metrologicz- 25 ne konieczne dla uzyskania wyniku oraz zbyt duza niedokladnosc wyników powodowana zmianami parametrów elementów i podzespolów skladowych ukladu w funkcji czasu i oddzialywan srodowis¬ kowych. 30 Cel wynalazku. Celem wynalazku jest uzyskanie w obwodach wyjsciowych ukladu sygnalów elek¬ trycznych proporcjonalnych do obu mierzonych wielkosci, tlumienia i przesuniecia fazowego, przy. okreslonych, chwilowych wartosciach szeregu para- 35 metrów ukladu decydujacych o niedokladnosci wyników pomiaru oraz sygnalów elektrycznych proporcjonalnych do chwilowych wartosci tych pa¬ rametrów.Istota wynalazku. Zgodnie z wynalazkiem ho- 40 modynowy uklad mikrofalowy zawiera zródlo sy¬ gnalu mikrofalowego fali ciaglej zasilajacej ener¬ gia mikrofalowa kanal odniesienia i kanal pomia¬ rowy, w którym znajduje sie modulator amplitudy sygnalu mikrofalowego. Kanal pomiarowy podzie- 45 lony jest na dwie galezie, pomiarowa i kalibracyj- na, z których kolejne sygnaly wyjsciowe propor¬ cjonalne naprzemienne do wartosci mierzonych i wzorcowych tlumienia i przesuniecia fazowego doprowadzane sa do wejsc rozgalezienia hybrydo- 50 wego, którego wyjscie polaczone jest poprzez przesuwniki fazowe, z których jeden zasilany jest sygnalem zmiennym ze zrócjla sygnalu modulacji fazowej, z wejsciami rozgalezien hybrydowych, do których doprowadzany jest takze sygnal z kanalu 55 odniesienia, a wyjscia rozgalezien hybrydowych polaczone sa z detektorami.Uklad umozliwia dysponowanie sygnalami pro¬ porcjonalnymi do chwilowych wartosci istotnych parametrów metrologicznych ukladu przez auto- 60 matyczna kompensacje wplywu ich zmian lub obliczenie wyników pomiaru z uwzglednieniem odpowiedniej poprawki. W efekcie dokladnosc wyników pomiaru wielkosci mierzonych zostaje utrzymana,, pomimo zmian parametrów elementów 6f i podzespolów skladowych ukladu pomiarowego w szerokich granicach.Przyklad wykonania. Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykladzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy ukladu mi¬ krofalowego do jednoczesnego pomiaru, wartosci tlumienia i kata przesuniecia fazowego.Uklad zawiera zródlo sygnalu mikrofalowego 1 o pulsacji Q, które poprzez rozgalezienie hybry¬ dowe 2 zasila energia mikrofalowa kanal odnie¬ sienia i kanal pomiarowokalibracyjny. Sygnal mi¬ krofalowy fali ciaglej z kanalu odniesienia dopro¬ wadzany jest do rozgalezienia hybrydowego 14 oraz poprzez sprzegacz kierunkowy 16 do drugiego rozgalezienia hybrydowego 18. Sygnal mikrofalowy w kanale pomiarowo-kalibracyjnym, modulowany w modulatorze 3 sygnalem harmonicznym malej czestotliwosci o pulsacji toi dostarczanym przez generator 4, doprowadzany jest do rozgalezienia hybrydowego 5 i poprzez to rozgalezienie do ka¬ nalu pomiarowego i kanalu kalibracyjnego.W kanale pomiarowym umieszczone sa szerego¬ wo modulator absorbcyjny z diodami PIN 6 i ob¬ szar pomiarowy 9, w którym wprowadzane jest do ukladu mierzone tlumienie Ax i mierzone prze¬ suniecie fazy qpx. W kanale kalibracyjnym umiesz¬ czone sa szeregowo modulator absorbcyjny z dio¬ dami PIN 7 i tlumik wzorcowy 10 o stalej war¬ tosci tlumienia AN. Modulatory absorbcyjne 6 i 7 zasilane sa przeciwsobnie z generatora impulsów kluczujacych 8 sygnalem fali prostokatnej o okre- 2*rc sie T = — i wspólczynniku wypelnienia k. Pel- u nia one role kluczy dwustanowych O/oo dB wno¬ szac kolejno i naprzemiennie do kanalu pomiaro¬ wego i kalibracyjnego badz tlumienie bliskie zera, badz znacznie wieksze od Ax i AN. Sygnaly wyj¬ sciowe kanalów pomiarowego i kalibracyjnego doprowadzane sa w wyniku, kolejno raz jeden raz drugi, poprzez rozgalezienie hybrydowe 11 i przesuwnik fazy 12 do rozgalezienia hybrydo¬ wego 14 oraz poprzez sprzegacz kierunkowy 17 i przesuwnik fazowy 19 do rozgalezienia hybrydo¬ wego 18. Przesuwnik fazowy 12 zasilany jest z ge¬ neratora 13 sygnalem harmonicznym malej czesto¬ tliwosci o pulsacji (02, przez co uzyskiwana jest modulacja fazowa sygnalu mikrofalowego dopro¬ wadzonego do rozgalezienia hybrydowego 14. Cha¬ rakterystyka fazowa kanalu pomiarowo-kalibracyj- nego przetwarza te modulacje fazy na modulacje amplitudy. Sumowane wektorowo w rozgalezie¬ niach hybrydowych 14 i 18 sygnaly mikrofalowe z kanalu odniesienia i kanalu pomiarowo-kalibra- cyjnego doprowadzane sa do detektorów 15 i 20 dzialajacych jako mieszacze. W obwodach obcia¬ zenia mieszaczy 15 i 20 odbierane sa sygnaly elek¬ tryczne malej czestotliwosci wydzielone w domenie czasu i pulsacji, zawierajace wszystkie informacje niezbedne do uzyskania wyników pomiaru war¬ tosci tlumienia Ax i kata przesuniecia fazowego cpx z wymagana dokladnoscia, niezaleznie -od zmian chwilowych wartosci parametrów metrologicznych ukladu mikrofalowego.W obwodzie obciazenia mieszacza 15 w kolej-108 109 nych, na przyklad pólokresach kluczowania — 2 ' uzyskiwane sa sygnaly elektryczne o amplitudach EtOi i Ecu2 proporcjonalnych do: Ew, [ 2 = a (Ax,EQ,Em,f]) O przy cp = cpopt = 0 ± nil, I T Eo)! T = a (AN,E^,Em,Tj) I ~^~ przy cp = cpopt = 0 ± nil, I T_ Eo)2 2. = p(Alx,Ax,EQlE, ,¦»]) I ° gdzie Acpx = cpopt — cp cpx, T Eco2 | T = p(A^N,AN,E^.Ed,v]) 20 25 30 35 gdzie AcpN = cpopt — cp ' cpN, oraz oznaczono przez: cp kat przesuniecia fazowego miedzy sygnalami mikrofalowymi doprowadzony¬ mi do rozgalezienia hybrydowego 14, Eu^ i Ecu2 amplitudy sygnalów zmiennych o pulsacjach coi i to2 w obwodzie obciazenia mieszacza 15, EQ amplitude sygnalu mikrofalowego doprowadzonego do kanalu pomiarowo-kalibracyjnego, Em ampli¬ tude sygnalu modulujacego promieniowanie mi¬ krofalowe w amplitudzie, Ecp amplitude sygnalu modulujacego promieniowanie mikrofalowe w fa¬ zie, cpN kat przesuniecia fazowego wprowadzany w kanale kalibracyjnym, n liczbe naturalna, r| wspólczynnik sprawnosci detekcji promieniowa¬ nia mikrofalowego oraz a i (3 zaleznosci funkcyjne.Sygnal elektryczny Ecoi dla pólokresu kluczowa¬ nia od 0 do zawiera informacje o wartosci mierzonego tlumienia Ax uzyskana przy chwilowej mocy zródla sygnalu mikrofalowego, chwilowej amplitudzie sygnalu modulujacego i chwilowej sprawnosci detekcji oraz optymalnej wartosci kata 45 przesuniecia fazowego cp miedzy sygnalami mikro¬ falowymi z kanalu odniesienia i kanalu pomiaro¬ wo-kalibracyjnego.Sygnal elektryczny Ecoi dla pólokresu kluczo- T wania od do T zawiera informacje o wartosci 50 2 tlumienia wzorcowego AN = const, uzyskana przy tych samych parametrach metrologicznych ukladu co sygnal Ecoi dla pólokresu kluczowania od 0 • T do— . Ze wzgledu na stala z zalozenia wartosc 55 2 T AN sygnal Ecoi( — — T) zawiera informacje o pa¬ rametrach metrologicznych ukladu pomiarowego T przy których zostal uzyskany sygnal Ecoi(0 — —-) 2 60 Obliczenie wyniku pomiaru Ax z wartosci obu tych sygnalów lub wykorzystanie sygnalu pro¬ porcjonalnego do AN jako sygnalu odniesienia dla regulacji czulosci ukladu uniezaleznia praktycznie 65 otrzymany wynik od parametrów metrologicznych ukladu pomiarowego. ~ ¦ T* - ¦ Sygnal Eco2(0 — —-) zawiera informacje o róz¬ nicy chwilowej wartosci kata przesuniecia fazo¬ wego cp miedzy sygnalami mikrofalowymi w ka¬ nalach odniesienia i pomiarowo-kalibracyjnym, doprowadzonymi do rozgalezienia hybrydowego 14, w stosunku do jego wartosci optymalnej.T Sprowadzenie sygnalu Eco2(0- ) do wartosci zerowej *lub bliskiej zera, uzyskiwane poprzez regulacje kata przesuniecia fazowego wprowadza¬ nego przez przesuwnik fazowy 12, sprowadza kat cp do wartosci równej lub zblizonej do optymalnej dla pomiaru Ax. Podobnie sygnal elektryczny T Eco2( T) zawiera informacje o róznicy chwi¬ lowej wartosci' kata przesuniecia fazowego cp w stosunku do jego wartosci optymalnej w pólokresie V-T- T Sprowadzenie sygnalu Eco2( T) do wartosci 2 zerowej lub bliskiej zera sprowadza wartosc ka¬ ta cp do wartosci równej lub zblizonej do optymal¬ nej dla pomiaru AN. £e wzgledu na wykorzysty¬ wanie w obu przypadkach, jako informacji, zerowej lub bliskiej zeru wartosci sygnalów TT Eco2(0 — — ) i Eco2(— — T),. wplyw zmian Eq E 2 2 i rj .na dokladnosc tych informacji jest dalszego rzedu i moze byc pominiety.W obwodzie' obciazenia mieszacza 20 w kolej¬ nych na przyklad pólokresach kluczowania uzys¬ kiwane sa sygnaly elektryczne o amplitudzie Ecoi proporcjonalnej do: ,T 2 = y(d,x,Q,E^,Em,v],Ax) O przy ipopt =—- pólokresu kluczowania (-— 2 - . . 2 -T), T T = Y(A«T,a,EQ,Fm,'»lAN)" gdzie'Aty = \\) — tpbpi oraz oznaczono przez: t| kat przesuniecia fazowego miedzy sygnalami mikrofalowymi doprowadzonymi do rozgalezienia hybrydowego 18 z kanalu odnie¬ sienia i kanalu pomiarowo-kalibracyjnego, ecoi am¬ plitude sygnalu zmiennego o pulsacji cpi w obwo¬ dzie obciazenia mieszacza 20, y zaleznosc funk¬ cyjna.T Sygnal elektryczny ecoi(0 - -) zawiera infor¬ macje o wartosci mierzonego kata przesuniecia fazowego cpx uzyskana przy chwilowej pulsacji sygnalu mikrofalowego, chwilowej amplitudzie sy¬ gnalu modulujacego, chwilowej mocy zródla sygna¬ lu mikrofalowego, chwilowej sprawnosci mieszania i chwilowej wartosci Ax oraz ustalonej dla po¬ czatku okresu kluczowania T wartosci \\ = ipopt = _ T 27 108 109 8 Ze wzgledu na uzaleznienie wartosci sygnalu T etoi(0 —) od szeregu parametrów metrologicz¬ nych ukladu pomiarowego, informacja o wartosci tego kata uzyskiwana jest poprzez sprowadzenie T sygnalu ewi(0 -—) do wartosci zerowej lub blis¬ kiej zera.Redukcja do zera uzyskiwana jest poprzez od¬ powiednia regulacje kata przesuniecia fazowego ^R wprowadzanego przez przesuwnik fazy 10. Zmiana T wartosci t|R w pólokresie 0 — —- wzgledem war¬ tosci \jj0pt = -£- konieczna do sprowadzenia sygnalu T ecoi(0 —) do wartosci zerowej lub bliskiej zera 2 jest miara wartosci mierzonego kata przesuniecia fazowego tpx praktycznie niezalezna od parame¬ trów metrologicznych ukladu pomiarowego; T Sygnal elektryczny ecoi( T) zawiera infor- macje o róznicy miedzy optymalna dla pomiaru kata przesuniecia fazowego i chwilowa wartoscia kata ty uzyskana przy tych samych parametrach metrologicznych ukladu co T sygnal ecoi(0 — — \ 2 T Sprowadzenie sygnalu ecm(—— T) do wartosci zerowej lufa bliskiej zera, uzyskiwane przez regu¬ lacje kata przesuniecia fazowego V* wprowadza¬ nego do kanalu pomiarowo-fcftUbracyjnego przez przesuwnik fazowy 19, sprowadza wartosc kata %' do wartosci równej lub zblizonej do y^.Ze wzgledu na oprowadzenie wartosci T eo)i(— T) w granicy do wartosci zerowej, od¬ powiadajacej optymalnym warunkom pomiaru Xl wplyw zmian w szerokich granicach parametrów metrologicznych ukladu pomiarowego nie wplywa na spelnienie tego warunku optymalflosci (przy wystarczajaco duzym wspólczynniku regulacji).Rozwiazanie wedlug wynalazku umozliwia zasto¬ sowanie ukladów mikrofalowych wykorzystujacych jednoczesny pomiar tlumienia i kata przesuniecia fazowego jako przetworników wielkosci fizycznych o charakterze nieelektrycznym na sygnaly elek¬ tryczne w przemyslowych systemach kontroli lab automatycznej regulacji przebiegów procesów tech¬ nologicznych. 5 Wplyw zmian mocy i pulsacji zródla sygnalu mikrofalowego, sprawnosci jego detekcji oraz czyn¬ ników wynikajacych z dyspersyjnosci elementów, podzespolów i calego ukladu mikrofalowego na wyniki jednoczesnego pomiaru tlumienia i kata io przesuniecia fazowego moze byc w ukladzie wedlug wynalazku sprowadzony do minimum, w zwiazku z czym mozliwe jest dlugoczasowe dzialanie ukla¬ du mikrofalowego w przeplywowych warunkach oddzialywan srodowiskowych o charakterze me- 15 chaniczno-klimatycznym i w warunkach wyklucza¬ jacych moznosc ingerencji obslugi w jednostkach czasowych o skali roku z zachowaniem dokladnosci wyników pomiaru zgodnie z wymaganiami tech¬ nologii procesu.Zastrzezenie patentowe Homodynowy uklad mikrofalowy do jednoczes¬ nego pomiaru tlumienia i kata przesuniecia fazo¬ wego zawierajacy zródlo sygnalu mikrofalowego u fali ciaglej zasilajace sygnalem mikrofalowym ka¬ nal odniesienia i pomiarowy, modulator amplitudy sygnalu mikrofalowego umieszczony w kanale po- _ miarowym i zasilany ze zródla sygnalu modulu¬ jacego dwa detektory sygnalów mikrofalowych, do tt których doprowadzane sa jednoczesnie sumy wek¬ torowe sygnalów mikrofalowych z kanalu odnie¬ sienia i kanalu pomiarowego, znamienny tym, ze kanal pomiarowy zasilany sygnalem mikrofalowym modulowanym amplitudowo w modulatorze (3) 96 podzielony jest na dwie galezie pomiarowa i kali- bracyjna, z których kolejne sygnaly wyjsciowe, proporcjonalnie naprzemiennie do wartosci mierzo¬ nych i wzorcowych tlumienia i przesuniecia fazo¬ wego doprowadzone sa do wejsc rozgalezienia 40 hybrydowego (11), którego wyjscie polaczone jest poprzez przesuwniki fazowe (12 i 19), z których jeden (12) zasilany jest sygnalem zmiennym ze zródla sygnalu modulacji fazowej (13), z wejsciem rozgalezien hybrydowych (14 i 18), do których do- 44 prowadzony jest takze sygnal mikrofalowy z ka¬ nalu odniesienia, a wyjscia rozgalezien hybrydo¬ wych (14 i 1*) polaczone sa z detektorami (15 i 21».108 109 i 10 W w T^- lx ii 8 13 12 1)4 IX"' i 16 19 h [7 ,18 20 PL