ИНФРАЗВУКОВОЙ МИКРОБАРОМЕТР
INFRASONIC MICROBAROMETER

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано для измерения инфразвуковых колебаний в диапазоне от 0,01 ГЦ до 10 Гц и преобразования их в электрический сигнал. Конструкция МБ должна обеспечивать фильтрацию длиннопериодных колебаний атмосферного давления и колебания звуковой частоты.
Известен микробарометр индукционного типа МВ2000 («Martec Tekelec Systems», Франция; см.: Elements of an Operational System. First International Workshop on Acoustic Remote Sensing of Volcanoes. - Quito, Ecuador, January 22, 2006). Принцип действия основан на деформации пластин анероидного барометра пропорционально изменению атмосферного давления. Для измерения степени деформации применен датчик смещения на основе LVDT (линейный трансформатор с переменным коэффициентом передачи).
Известны аналогичные друг другу по конструкции микробарометры конденсаторного типа: микробарометр Метеорологического института Королевства Нидерланды (KNMI; см.: L.G. Evers. The inaudible symphony: on the detection and source identification of atmospheric infrasound. - Gildeprint B.V., Enschede, Netherlands, 2008. - C. 13-15) и принятый в качестве прототипа К-304-АМ1.1 (НТЦ «Географические измерения», Новосибирск. 2013; ISGM-03M - экспортный вариант: http://ntcgi.ru/products/differential-mikrobarometr-isgm-03m.php). Конструкция микробарометров содержит приемную и опорную камеры, разделенные мембраной и соединенные дросселем. Дроссель и объемы приемной и опорной камеры образуют фильтр верхних частот. Принцип действия заключается в том, что деформируемая под действием атмосферного давления мембрана создает совместно с неподвижным электродом микробарометра плоский конденсатор, емкость которого изменяется пропорционально изменению амплитуды инфразвуковых колебаний в определенном диапазоне. Колебательный контур, в состав которого входит данный конденсатор, управляет частотой генератора.
Сложностью конструкции известных микробарометров является использование анероидной коробки и датчика смещения или, в другом исполнении, необходимостью формирования колебательного контура, в состав которого входит плоский конденсатор.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции микробарометра, фильтрация длиннопериодных колебаний атмосферного давления и колебания звуковой частоты и обеспечение защиты от перегрузок давлениями, превышающими измеряемые давления.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
1 - приемная камера;
2 - опорная камера;
3 - мембрана;
4 - ограничители хода мембраны;
5 - шток;
6 - мембранно-рычажный тензопреобразователь;
7, 8 - дроссели с акустическими сопротивлениями R1 и R2.
Устройство работает следующим образом:
А
И
А
Для компенсации длиннопериодных колебаний атмосферного давления применен фильтр верхних частот, для чего приемная камера соединена с опорной камерой капилляром с акустическим сопротивлением R1. Тензопреобразователь, связанный с измерительной мембраной штоком, преобразует разность давлений между приемной и опорной камерами в электрический сигнал. С одной стороны на измерительную мембрану действует входное давление, равное сумме постоянного атмосферного Р и измеряемого переменного Р. На другую сторону мембраны действует давление опорной камеры, которое выравнивается с давлением в приемной камере за счет перетекания воздуха через капилляр. Параметры капилляра рассчитываются таким образом, чтобы на частотах выше 0,01 Гц перетекание давления было незначительным, и давление в опорной камере равнялось атмосферному Р. В этом случае дифференциальное давление, приложенное к мембране, будет равно Ри. Мембрана обеспечивает возможность измерения малых давлений, равных единицам паскаля. При возникновении перегрузок мембрана ложится на упоры.
Параметры капилляра (диаметр и длина) выбираются исходя из требования обеспечить величину нижней граничной частоты 0,01 Гц: чем больше акустическое сопротивление капилляра R1, тем ниже граничная частота.
Нижняя граничная частота вычисляется по формуле
a
а
⋅
где: τ - постоянная времени, τ=RС;
a
R - акустическое сопротивление,
μ - вязкость воздуха;
Т - температура воздуха;
- длина капилляра;
r - радиус капилляра;
а
С- акустическая емкость,
0
V объем опорной камеры;
а
Р - атмосферное давление.
Для компенсации акустических воздействий звуковой частоты и ветровых помех (подавления высокочастотных составляющих) применен фильтр нижних частот, для чего опорную камеру предлагается разделить на два объема, соединенных между собой вторым капилляром с акустическим сопротивлением R2. Чем меньше акустическое сопротивление капилляра R2, тем выше граничная частота. Параметры капилляра R2 рассчитываются по формулам, приведенным выше, исходя из требования обеспечить частоту среза порядка 15-20 Гц.