Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды
DEVICE FOR MEASURING INFRASOUND VIBRATIONS OF THE MEDIUM

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области измерения инфразвуковых колебаний газообразной среды.
Известно устройство [1], [2] для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, и последовательно соединенные емкостный датчик перемещения мембраны, полосовой усилитель и демодулятор, подключенный к аналоговому выходу устройства, а также генератор, подключенный к емкостному датчику и демодулятору. Устройство снабжено капилляром, защищающим емкостный датчик от больших медленных перепадов давления между окружающей средой и средой внутри корпуса. Однако при эксплуатации в полевых условиях капилляр с течением времени засоряется мелкими частицами пыли, проникающими через фильтр, что приводит к уменьшению динамического диапазона и искажениям принимаемых сигналов. Кроме того, в устройстве отсутствует возможность устранения разбаланса емкостного датчика, приводящего к уменьшению динамического диапазона и искажениям из-за больших температурных перепадов и уходов параметров элементов.
Недостатком устройства является малая точность измерений инфразвуковых колебаний среды.
Известно устройство [3] для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, чувствительный элемент, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса, и последовательно соединенные датчик перемещения чувствительного элемента, полосовой усилитель и демодулятор, подключенный к аналоговому выходу устройства, а также генератор, подключенный к датчику перемещения чувствительного элемента и демодулятору. Недостаток, связанный с наличием капилляра, устранен применением герметичного корпуса с эталонным объемом воздуха. Однако из-за перепадов давления это вызвало необходимость замены мембраны и емкостного датчика датчиком больших перемещений, в качестве которого используется индуктивный датчик, прикрепленный сердечником к сильфону. Такое техническое решение из-за массы сердечника, подпружиненной сильфоном, привело к тому, что устройство принимает сейсмические колебания вместе с инфразвуком. В устройстве также отсутствует возможность устранения разбаланса емкостного датчика, приводящего к уменьшению динамического диапазона и искажениям из-за больших температурных перепадов и уходов параметров элементов.
Недостатком устройства является малая точность измерений инфразвуковых колебаний среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство [4] для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные емкостный преобразователь перемещения мембраны, дифференциальный усилитель, демодулятор, полосовой усилитель низкой частоты и фильтр низких частот, подключенный к аналоговому выходу устройства, а также генератор, подключенный к емкостному преобразователю и демодулятору. Устройство снабжено капилляром, защищающим емкостный датчик от больших медленных перепадов давления между окружающей средой и средой внутри корпуса. Однако при эксплуатации в полевых условиях капилляр с течением времени засоряется мелкими частицами пыли, проникающими через фильтр, что приводит к уменьшению динамического диапазона и искажениям принимаемых сигналов. Кроме того, в устройстве отсутствует возможность устранения разбаланса емкостного датчика, приводящего к уменьшению динамического диапазона и искажениям из-за больших температурных перепадов и уходов параметров элементов.
Недостатком устройства является малая точность измерений инфразвуковых колебаний среды.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
дополнительно
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, чувствительный элемент, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса,  содержит внутри корпуса трубчатый цилиндр, продольную перегородку, две планки, два фотодатчика, первое и второе основания, первый и второй дисковые дроссели, два опорных кольца, два источника света, два держателя, стержень, две нити, спиральную пружину, фиксатор пружины, натяжную втулку, кронштейн, регулировочный винт, контргайку, два фильтра и две крышки, причем продольная перегородка связана с первым и вторым дисковыми дросселями, установлена по диаметру трубчатого цилиндра с продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра, планки размещены диаметрально противоположно вдоль трубчатого цилиндра, связаны с первым и вторым основаниями, с внутренней поверхностью корпуса и с наружной поверхностью трубчатого цилиндра, фотодатчики подключены к выходу устройства и размещены на планках, первое и второе основания размещены внутри корпуса на торцах трубчатого цилиндра, первый и второй дисковые дроссели размещены посредством опорных колец на первом и втором основаниях внутри трубчатого цилиндра, источники света размещены посредством держателей диаметрально противоположно в трубчатом цилиндре между первым и вторым дисковыми дросселями и разделены продольной перегородкой с прорезью по продольной оси перегородки, первый дисковый дроссель выполнен с круглым первым отверстием в центре, круглым вторым отверстием у опорного кольца, прорезями и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой и размещенными у противоположных концов продольной перегородки, второй дисковый дроссель выполнен с круглым отверстием в центре, прорезями и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов продольной перегородки и отделенными продольной перегородкой от входных отверстий первого дискового дросселя, кронштейн размещен на первом основании и выполнен с круглым отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра, регулировочный винт установлен в отверстии кронштейна, контргайка установлена на регулировочном винте, первое и второе основания выполнены с круглыми отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований, ограниченной торцами трубчатого цилиндра, нити одними концами связаны с концами стержня, размещенного на оси трубчатого цилиндра, а другими концами связаны, соответственно, с регулировочным винтом и натяжной втулкой, размещенной в круглым отверстии в центре второго основания, спиральная пружина размещена параллельно первому и второму основаниям, центральным концом связана со стержнем, размещенным в первом отверстии первого дискового дросселя и в отверстии в центре второго дискового дросселя, а другим концом связана с фиксатором пружины, размещенном во втором отверстии первого дискового дросселя, чувствительный элемент размещен в продольной прорези в центре продольной перегородки, связан со стержнем и выполнен в виде пластинки с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра, фильтры и крышки размещены на торцах корпуса, крышки выполнены с отверстиями, трубчатый цилиндр выполнен из теплоизолирующего прозрачного материала, а внутренняя поверхность корпуса выполнена светоотражающей.
Такое выполнение устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды обеспечивает повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
На фиг. 1 представлен схематический чертеж устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды, на котором условно не показана продольная перегородка 4 и повернут чувствительный элемент 2.
На фиг. 2 представлена схема варианта установки устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды (микробарометра) в скважину с сейсмометром.
Принятые обозначения:
1 - корпус; 2 - чувствительный элемент; 3 - трубчатый цилиндр, 4 - продольная перегородка, 5 - планки, 6 - фотодатчики, 7 - первое основание, 8 - второе основание, 9 - первый дисковый дроссель, 10 - второй дисковый дроссель, 11 - опорные кольца, 12 - источники света, 13 - держатели, 14 - стержень, 15 - нити, 16 - спиральная пружина, 17 - фиксатор пружины, 18 - натяжная втулка, 19 - кронштейн, 20 - регулировочный винт, 21 - контргайка, 22 - фильтры, 23 - крышки.
дополнительно
Устройство, представленное на фиг. 1, содержит корпус 1, чувствительный элемент 2, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса 1,  содержит внутри корпуса 1 трубчатый цилиндр 3, продольную перегородку 4, две планки 5, два фотодатчика 6, первое основание 7, второе основание 8, первый дисковый дроссель 9, второй дисковый дроссель 10, два опорных кольца 11, два источника света 12, два держателя 13, стержень 14, две нити 15, спиральную пружину 16, фиксатор 17 пружины, натяжную втулку 18, кронштейн 19, регулировочный винт 20, контргайку 21, два фильтра 22 и две крышки 23, причем продольная перегородка 4 связана с первым и вторым дисковыми дросселями 9, 10, установлена по диаметру трубчатого цилиндра 3 с продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 3, планки 5 размещены диаметрально противоположно вдоль трубчатого цилиндра 3, связаны с первым и вторым основаниями 7, 8, с внутренней поверхностью корпуса 1 и с наружной поверхностью трубчатого цилиндра 3, фотодатчики 6 подключены к выходу устройства и размещены на планках 5, первое и второе основания 7, 8 размещены внутри корпуса 1 на торцах трубчатого цилиндра 3, первый и второй дисковые дроссели 9, 10 размещены посредством опорных колец 11 на первом и втором основаниях 7, 8 внутри трубчатого цилиндра 3, источники света 12 размещены посредством держателей 13 диаметрально противоположно в трубчатом цилиндре 3 между первым и вторым дисковыми дросселями 9, 10 и разделены продольной перегородкой 4 с прорезью по продольной оси перегородки 4, первый дисковый дроссель 9 выполнен с круглым первым отверстием в центре, круглым вторым отверстием у опорного кольца 11, прорезями и двумя входными отверстиями произвольной формы, разделенными продольной перегородкой 4 и размещенными у противоположных концов продольной перегородки 4, второй дисковый дроссель 10 выполнен с круглым отверстием в центре, прорезями и двумя входными отверстиями произвольной формы, разделенными продольной перегородкой 4, размещенными у противоположных концов продольной перегородки 4 и отделенными продольной перегородкой 4 от входных отверстий первого дискового дросселя 9, кронштейн 19 размещен на первом основании 7 и выполнен с отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра 3, регулировочный винт 20 установлен в отверстии кронштейна 19, контргайка 21 установлена на регулировочном винте 20, первое и второе основания 7, 8 выполнены с круглыми отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований 7, 8, ограниченной торцами трубчатого цилиндра 3, нити 15 одними концами связаны с концами стержня 14, размещенного на оси трубчатого цилиндра 3, а другими концами связаны, соответственно, с регулировочным винтом 20 и натяжной втулкой 18, размещенной в круглым отверстии в центре второго основания 8, спиральная пружина 16 размещена параллельно первому и второму основаниям 7, 8, центральным концом связана со стержнем 14, размещенным в первом отверстии первого дискового дросселя 9 и в отверстии в центре второго дискового дросселя 10, а другим концом связана с фиксатором 17 пружины, размещенном во втором отверстии первого дискового дросселя 9, чувствительный элемент 2 размещен в продольной прорези в центре продольной перегородки 4, связан со стержнем 14 и выполнен в виде пластинки с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 3, фильтры 22 и крышки 23 размещены на торцах корпуса 1, крышки 23 выполнены с отверстиями произвольной формы, трубчатый цилиндр 3 выполнен из теплоизолирующего прозрачного материала, а внутренняя поверхность корпуса 1 выполнена светоотражающей.
Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, представленное на фиг. 1, работает следующим образом.
В корпусе 1 установлен трубчатый цилиндр 3, выполненный из теплоизолирующего прозрачного материала, снабженный продольной перегородкой 4, с продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 3, которая делит трубчатый цилиндр 3 на два отсека. Чувствительный элемент 2, размещенный в прорези в центре продольной перегородки 4, связанный со стержнем 14 и выполненный в виде пластинки с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 3, делит каждый отсек на две части, в одну из которых поступает воздух из окружающей среды, а в другую поступает воздух из изолированного замкнутого объема, например, из скважины. Воздух поступает в отсеки через отверстия произвольной формы в крышках 23, затем через фильтры 22, через круглые отверстия в первом и втором основаниях 7, 8 и через прорези и отверстия произвольной формы в первом и втором дисковых дросселях 9, 10, закрепленных на первом и втором основаниях 7, 8 посредством двух опорных колец 11. В отсеках на держателях 13, закрепленных на первым и вторым дисковых дросселях 9, 10, размещены источники света 12, свет от которых падает на чувствительный элемент 2 и через прозрачную стенку трубчатого цилиндра 3 на внутреннюю поверхность корпуса 1, выполненную светоотражающей. Изменения давления окружающей среды приводят к смещению чувствительного элемента 2. Смещение чувствительного элемента 2 относительно нейтрального положения приводит к изменению освещенности фотодатчиков 6, размещенных на планках 5, закрепленных на первым и вторым дисковых дросселях 9, 10. Изменения амплитуды электрического сигнала на выходах фотодатчиков 6 соответствуют изменениям давления окружающей среды и передаются далее для усиления и обработки. Возврат чувствительного элемента 2 в нейтральное положение осуществляется с помощью спиральной пружины 16, размещенной параллельно первому и второму основаниям 7, 8, связанной с фиксатором 17 пружины, размещенном во втором отверстии первого дискового дросселя 9, и связанной со стержнем 14, размещенном в первом отверстии первого дискового дросселя 9 и в отверстии в центре второго дискового дросселя 10. С помощью прорезей и отверстий произвольной формы в дисковых дросселях 9, 10, первом и втором основаниях 7, 8 и крышках 23 ограничивается доступ воздуха к чувствительному элементу 2 и амплитуда его перемещений для формирования требуемой амплитудно-частотной характеристики. Для обеспечения свободного поворота чувствительного элемента 2 к концам стержня 14 прикреплены две нити 15, одна из которых закреплена на натяжной втулке 18 в центре второго основания 8, а другая закреплена на регулировочном винте 20, установленном в отверстии кронштейна 19. При настройке устройства вращением стержня 14 устанавливают требуемое натяжение спиральной пружины 16, другой конец которой закреплен фиксатором 17 пружины, размещенном в отверстии первого дискового дросселя 9, а затем с помощью регулировочного винта 20 и контргайки 21 устанавливают требуемое натяжение нитей 15. Нити 15 могут быть выполнены из пластмассы или металла в виде тонких струн. Для снижения уровня тепловых шумов устройство может быть размещено, например, в скважине, и атмосферное давление сравнивается с давлением воздуха в скважине, более стабильным за счет малых и медленных изменений температуры. Для этого могут быть использованы существующие скважины для геофизических исследований. На фиг.2 представлена схема варианта установки устройства в скважину с сейсмометром.
Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемое устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды обеспечивает повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
Источники информации
Infrasound Sensor - Model 50, Manual, описание, Chaparral Physics, div of Geophysical Institute, 2006, http://www.geoinstr.com/ds-model25.pdf
Infrasound Sensor - Model 25, Manual, описание, Chaparral Physics, div of Geophysical Institute, 4 December 2006, http://www.geoinstr.com/ds-model50.pdf
Микробарометр МВ 2000, Техническое описание, Microbarometre MB 2000, Technical manual, Departement Analyse et Surveillance de L’Environnement (DASE), 1998, http://www-dase.cea.fr/public/dossiers_thematiques/microbarometres/description.html
Дифференциальный микробарометр ISGM-03M, описание, Научно-технический центр "Геофизические измерения", 2013, http://ntcgi.ru/products/differential-mikrobarometr-isgm-03m.php