СИГНАЛИЗАТОР ГРАДИЕНТА ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, например, в охранных системах для сигнализации проникновения в помещения, в том числе, для сигнализации движения по путевому аэродинамическому следу, в технологических процессах и т.п.
Известны сигнализаторы, например, LISTENER V3, DOOR АLARM, LISTENER «О» фирмы CIB ELECTRONICS, реагирующие на низкочастотные колебания воздуха, характерные возникающим при взломе (открывании) дверей, окон, стен, проломах пола и потолка (см. копии рекламных материалов).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный электромагнитный микрофон, чувствительным элементом которого служит тонкая стальная мембрана, движение которой под действием градиента давления считывается магнитоэлектрическими датчиками, которые состоят из катушек и магнитов (см. копии листов 188...191 из книги: Р.М.Терещук и Л.Б.Фукс. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. - К.: Наукова думка, 1967 г. - 447 с.). Тонкая стальная мембрана и магнитоэлектрические датчики размещены в корпусе дифференциального электромагнитного микрофона, который закрыт с обеих сторон защитными перфорированными крышками.
Такой дифференциальный электромагнитный микрофон принят за прототип.
При всех преимуществах этого устройства его недостатками являются сложность и низкая чувствительность, обусловленная, в частности,
конструкцией датчиков движения тонкой стальной мембраны микрофона. Относительно высокая жесткость тонкой стальной мембраны не позволяет обеспечить достаточную чувствительность дифференциального электромагнитного микрофона, а выходной сигнал весьма мал (единицы милливольт) и требует усиления. Кроме того, амплитудно-частотная характеристика такого микрофона имеет значительный спад в низкочастотной области и исключает нулевую частоту (т.е., микрофон не чувствителен к положению мембраны).
Техническим результатом, на достижение которого направлено создание предлагаемого устройства, является устранение указанных недостатков прототипа, т.е. упрощение конструкции сигнализатора градиента давления (СГД) и повышение его чувствительности.
Поставленная цель достигается тем, что в сигнализатор градиента давления, содержащем дифференциальный микрофон, в корпусе которого закреплена токопроводящая мембрана, закрытая защитными перфорированными крышками, - введены генератор прямоугольных импульсов, источник постоянного напряжения, два резистора, два диода и JK-триггер, защитные перфорированные крышки выполнены токопроводящими и изолированы друг от друга и от токопроводящей мембраны, вход J JK-триггера соединен с одной защитной перфорированной крышкой и первыми выводами первой пары резистор-диод, первые выводы второй пары резистор-диод и вывод К JK триггера соединены с другой защитной перфорированной крышкой, вторые выводы резисторов и диодов подключены к выходу генератора прямоугольных импульсов и входу С JK-триггера, генератор прямоугольных импульсов и JK-триггер подключены к источнику постоянного напряжения, а токопроводящая мембрана соединена с его общим выводом.
На фиг.1 представлена схема сигнализатора градиента давления. На фигурах 2, 3, 4 приведены результаты его экспериментальной проверки с помощью цифровой модели в системе автоматизированного проектирования (САПР) "ELECTRONICS WORKBENCH".
Устройство (фиг.1) содержит дифференциальный микрофон 1, который состоит из токопроводящих электрически изолированных друг от друга мембраны 2 и защитных перфорированных крышек 3 и 4. В него также входит генератор прямоугольных импульсов 5, JK-триггер 6, источник постоянного напряжения 7, резисторы 8 и 9, параллельно которым включены диоды 10 и 11. Защитные перфорированные крышки 3, 4 и токопроводящая мембрана 2 образуют два электрических конденсатора, которые могут менять значения своих емкостей при прогибе токопроводящей мембраны 2 под действием разности давлений ΔР (определяется градиентом давления). Указанные конденсаторы и соответствующие резисторы 6 и 7 образуют фильтры нижних частот (ФНЧ), выходы которых подключены ко входам J и К JK-триггера 6. Выходные сигналы СГД снимаются с выходов A и/или B JK-триггера 6. От жесткости токопроводящей мембраны 2 зависит чувствительность СГД. В отличии от прототипа она может быть выполнена, например, из металлизированной полимерной пленки, что позволяет значительно снизить ее жесткость. Питание JK-триггера 6 и генератора прямоугольных импульсов 5 осуществляется от источника постоянного напряжения 7.
На фигурах 2, 3, 4 приведены схема устройства и результаты экспериментальной проверки, подтверждающие его работоспособность. Упомянутые выше электрические конденсаторы представлены на фигурах 2, 3, 4 конденсаторами переменной емкости с установленными значениями электрических емкостей по 1 нанофараде (половины максимальных значений емкостей этих конденсаторов). Значения их емкостей могут изменяться с дискретностью 1% в процессе эксперимента (см. фиг.3, 4), чем моделируются положения токопроводящей мембраны 2 (фиг.1). В качестве измерительных приборов САПР используются Function Generator (включен в режим генератора прямоугольных импульсов) и Oscilloscope (двухканальный осциллограф). Генератор прямоугольных импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы амплитудой 5 В (Amplitude 2.5 V+Offset 2.5 V), частотой (Frequency) 71 кГц и скважностью 2 (Duty cycle 50%). JK-триггер
представлен одним из JK-триггеров микросхемы 4027 (выводы его имеют индексы "2"). Полный российский аналог микросхемы 4027 - микросхема К561ТВ1. Микросхема запитана от источника постоянного напряжения 5V (выводы VDD, VSS). Сигналы устройства (с выводов 02' и К2 JK-триггера, соответствующих его выводам В и К на фиг.1) регистрируются двухканальным осциллографом (сигналы на экране выделены цветом проводника, подводящим сигналы к измерительным каналам двухканального осциллографа). Установленный режим работы двухканального осциллографа обеспечивает устойчивую регистрацию сигналов (расстояния на экране двухканального осциллографа между редкими делениями по вертикали соответствуют 2 вольтам, а по горизонтали - 5 микросекундам (μs) текущего времени его входных сигналов).
Работает устройство следующим образом (фиг.1). В исходном состоянии (ΔР отсутствует) выбранные значения радиокомпонентов фильтров нижних частот (их постоянные времени равны - см. фиг.2) и параметры импульсов генератора прямоугольных импульсов 5 обеспечивают режим работы JK-триггера 6 как Т-триггера - на его на выходах А и В присутствуют сигналы типа "меандр" (прямоугольные импульсы на выходе 02', см. фиг.2) с противоположными фазами и частотами, в два раза меньшими, чем на входах (см. копии листов книги Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - 2-е изд., исправленное. - М.: Радио и связь, 1989 г. - 352 с.; стр.66...74; 205...207).
При появлении разности давлений ΔР токопроводящая мембрана 2 прогибается в соответствующую сторону, что ведет к увеличению значения электрической емкости одного электрического конденсатора (например, образованного токопроводящей мембраной 2 и защитной перфорированной крышкой 4) дифференциального микрофона 1 и уменьшению значения электрической емкости другого (образованного токопроводящей мембраной 2 и защитной перфорированной крышкой 3). Соответственно изменяются значения постоянных времени фильтров нижних частот, подключенных ко входам JK-триггера 6 (на фиг.3 значение конденсатора переменной емкости
и, соответственно, постоянной времени ФНЧ на входе К2 больше на 2%, чем на входе J2; на фиг.4 - наоборот,). Следовательно, при тактировании JK-триггера 6 по входу С на одном из других его входах J или K пороговое напряжение срабатывания (см. копию листа 206 книги Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - 2-е изд., исправленное. - М.: Радио и связь, 1989 г. - 352 с.) будет достигнуто раньше (на входе J2, фиг.3; на входе К2, фиг.4), чем на другом и JK-триггер 6 переключится в соответствующее состояние как тактируемый RS триггер (RST триггер, см. копии листов книги Шило В.Л.). Поэтому на выходах А и В JK-триггера 6 установятся соответствующие потенциалы до тех пор, пока не изменятся должным образом значения указанных выше электрических конденсаторов, вызванные изменением разности давлений ΔР (см. фиг.3, фиг.4). Следовательно, чувствительность СГД обеспечивается и при нулевой частоте разности давлений ΔР.
Такая особенность работы обнаружена, в частности, у JK-триггеров структуры КМОП (см. копии листов книги Шило В.Л.), причем, разность пороговых значений лежит в пределах сотых долей вольта и менее. Безусловно, и триггеры структуры ТТЛ обладают аналогичной особенностью.
В периоды пауз импульсов генератора прямоугольных импульсов 5 упомянутые электрические конденсаторы разряжаются через диоды 10, 11 и выходное сопротивление генератора прямоугольных импульсов 5. Возможно и другое эквивалентное решение задачи разряда электрических конденсаторов, например, с использованием шунтирующих транзисторов, управляемых сигналами генератора прямоугольных импульсов 5. Разряд электрических конденсаторов в периоды пауз импульсов генератора прямоугольных импульсов 5 способствует повышению стабильности работы СГД.
Приведенные особенности реализации СГД обеспечивают ему новые свойства, в частности, он более прост, имеет более высокую
чувствительность в области рабочих частот, в том числе, при нулевой частоте.
Проведя анализ уровня техники по научно-техническим источникам информации, заявитель не обнаружил аналог с признаками, идентичными существенным признакам заявляемой полезной модели.
Выбранный прототип устройства позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом устройстве, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель "Сигнализатор градиента давления" соответствует критерию новизны.
Критерий промышленной применимости заявляемого устройства подтверждается его потенциальной эффективностью, проверенной электронным моделированием в САПР.