МАЛОГАБАРИТНЫЙ БАРОГРАФ ИФА РАН

Полезная модель относится к метрологическим приборам для измерения и регистрации давления воздуха, конкретно к малогабаритным жидкостным барографам.
Известен малогабаритный барограф (SU 504406, МПК: G01L 7/20, G01L 9/00, G01W 1/02, 1976), содержащий ртутный барометр, источник светового луча для сканирования шкалы барометра, приемник светового луча, преобразующий отраженный от шкалы барометра световой сигнал в электрическое напряжение, и электромеханическое перо для записи результатов измерений на бумажном носителе информации.
Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения и относительно большие габариты.
Известен малогабаритный барограф (SU 55367, МПК: G01W 1/04 1939), содержащий барографическую коробку, разделенную вертикальной перегородкой на две измерительные камеры, соединенные по сигнальным выходам с устройством регистрации результатов измерений. Барографическая коробка выполнена с массогабаритными характеристиками, не превышающими размеры и подъемную силу голубя, используемого для исследования приземных слоев атмосферы. В одной секции барометрической коробки установлен биметаллический датчик температуры, а в другой - мембранный датчик Бураона. Устройство регистрации результатов измерений содержит оптическое перо и фотопленку.
Недостатком известного малогабаритного барографа является недостаточная точность измерений, связанная с использованием малочувствительных мембранных датчиков давления воздушной среды и
«зернистостью» фотопленки, ограничивающей разрешающую способность микробарографа.
Задачей полезной модели является повышение точности измерений малогабаритного барографа.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является емкостно-жидкостное измерение давления воздушной среды и цифровая обработка сигнальной информации.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что малогабаритный барограф, содержащий барографическую коробку, разделенную вертикальной перегородкой на две измерительные камеры, соединенные по выходным сигналам с устройством регистрации результатов измерений, согласно полезной модели измерительные камеры в нижней части выполнены сообщающимися между собой, наполовину заполнены жидкостью, с частично погруженными в нее вертикально установленными пластинчатыми конденсаторами, разнополярные обкладки которых электрически соединены с соответствующими сигнально-емкостными выходами измерительных камер, снабженных в верхней части штуцерами для соединения с источниками давления, а устройство регистрации содержит последовательно соединенные преобразователь емкости конденсаторов в частоту и микроЭВМ.
При этом преобразователь емкости конденсаторов в частоту содержит генератор переменной частоты, частотозадающие входы которого через электронные коммутаторы соединены с соответствующими сигнально-емкостными выходами измерительных камер.
Выполнение измерительных камер гидравлически сообщающимися между собой, заполнение камер наполовину жидкостью, вертикальное частичное погружение в жидкость пластинчатых конденсаторов, разнополярные обкладки которых электрически соединены с
соответствующими сигнально-емкостными выходами измерительных камер, а также установка в верхней части камер штуцеров для соединения с источниками давления позволяют обеспечить существенное изменение емкостей конденсаторов при незначительном изменении уровня жидкости в камерах барографа. Следствием этого является повышение чувствительности и точности измерений малогабаритного барографа. Выполнение устройства регистрации цифровым в виде последовательно соединенных преобразователя емкости конденсаторов в частоту и микроЭВМ позволяет дополнительно повысить точность измерений за счет цифровой обработки сигнальной информации измерительных камер.
На фиг.1 представлена функциональная схема малогабаритного барографа, на фиг.2 - принципиальная схема преобразователя электрической емкости в частоту, на фиг.3 - принципиальная схема микроЭВМ на базе микроконтроллера PIC18.
Малогабаритный барограф содержит барографическую коробку 1, разделенную вертикальной перегородкой 2 на две измерительные камеры 3 и 4. В нижней части измерительные камеры 3, 4 выполнены сообщающимися между собой и наполовину заполнены жидкостью 5, образуя гидравлически сообщающиеся сосуды. В жидкость 5 частично (нижней частью) погружены вертикально установленные в камерах 3, 4 пластинчатые конденсаторы 6, 7 соответственно. Количество конденсаторов 6, 7 в камерах 3, 4 определяется требуемой чувствительностью микробарографа и подбирается экспериментальным путем. Разнополярные обкладки конденсаторов 6, 7 каждой камеры 3, 4 электрически соединены между собой и с соответствующими сигнально-емкостными выходами 8, 9 измерительных камер 3, 4. В верхней части камер 3, 4 установлены штуцеры для соединения с источниками давления. Сигнально-емкостные выходы 8, 9 измерительных камер 3, 4 соединены с входами 12 и 13 устройства 14 регистрации. Устройство 14 регистрации содержит последовательно соединенные
преобразователь 15 емкости конденсаторов в частоту и микроЭВМ 16 с флэш-памятью 17. Преобразователь 15 емкости конденсаторов в частоту содержит генератор 18 переменной частоты, частотозадающие входы которого через электронные коммутаторы 19, 20, сигнально-емкостные выходы 8, 9 соединены с соответствующими частотно задающими емкостями конденсаторов 6, 7 измерительных камер 3, 4. МикроЭВМ 16 выполнена на микроконтроллере PIC18.
Малогабаритный барограф работает следующим образом. К одному из штуцеров, например к штуцеру 10 подключают прецизионный источник давления воздуха, например баллон с давлением воздуха в одну атмосферу. Другой штуцер 11 соединяется патрубком (на фигуре не показан) с источником измеряемого давления, например с приземной воздушной средою на заданной высоте измерения давления. При изменении давления воздушной среды происходит изменение уровня жидкости в гидравлически сообщающихся измерительных камерах 3 и 4. Например, при снижении внешнего атмосферного давления в камерах 3, 4 происходит выравнивание давлений за счет перетока части жидкости 5 из камеры 3 в камеру 4. При этом жидкость 10 заливает промежутки между пластинами конденсаторов 7 на большую высоту, чем промежутки между пластинами конденсаторов 6. При этом за счет разности диэлектрических проницаемостей воздуха и жидкости 10 происходит синхронное увеличение электрической емкости конденсаторов 7 в камере 4 и уменьшение электрической емкости конденсаторов 6 в камере 3. Разность электрических емкостей с выходов 8 и 9 измерительных камер 3 и 4 передается через соответствующие коммутаторы 19 и 20 на частотозадающие входы генератора 18. При этом частота генератора 8 отклоняется от контрольного значения (соответствующего частоте при равенстве давлений в камерах 3 и 4) в сторону ее уменьшения и пропорционально разности емкостей конденсаторов 6 и 7. МикроЭВМ 16 периодически во времени регистрирует текущие значения частоты генератора
18, вычисляет величину отклонения ее частоты от контрольного значения и переводит результаты вычислений в цифровую форму с датами и моментами времени измерений, удобную для фиксации текущих изменений барометрического давления. Далее эти значения переносятся на съемную флэш-память 17. Дальнейшая обработка и визуальный анализ барометрических данных, записанных флэш-памяти 17 производится на персональном компьютере или по распечаткам на принтере.
Данная полезная модель не ограничивается вышеприведенным примером его применения. Для передачи результатов измерения на централизованную систему сбора информации микробарограф может быть оснащен GPS компактным (мини) радиоприемником на основе микроконтроллера Microchip Pic18f452. Основными характеристиками этого микроконтроллера можно назвать: низкое потребление электроэнергии, возможность принимать данные с внешнего АЦП, связывать их с секундным импульсом от GPS,: передавать по последовательному каналу.
-3
Полезная модель разработана на уровне принципиальных схем и опытного образца. Испытания показали увеличение точности измерений малогабаритного барографа по сравнению с существующими малогабаритными образцами не менее чем на порядок. Малогабаритный барограф имеет: чувствительность - 16 мВ/Па; уровень собственных шумов - 0.1 мВ; напряжение питания - 24 В; рабочий диапазон температур -30°С÷40°С и позволяет измерять флуктуации атмосферного давления в диапазоне частот - 10÷5 Гц.