УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ СРЕДЫ
DEVICE TO MEASURE INFRASONIC MEDIUM OSCILLATIONS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения инфразвуковых колебаний газообразной или жидкой среды.
Известно устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус и чувствительный элемент, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса [1].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, чувствительный элемент, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса, и последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик перемещения чувствительного элемента, полосовой усилитель и демодулятор, подключенный к аналоговому выходу устройства, а также генератор, подключенный к датчику перемещения чувствительного элемента и демодулятору [2].
Недостатком прототипа является то, что устройство не обеспечивает требуемой точности измерений из-за недостаточного динамического диапазона и отсутствия калибровки.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, чувствительный элемент, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные чувствительный элемент, датчик перемещения чувствительного элемента, полосовой усилитель и демодулятор, подключенный к аналоговому выходу устройства, а также генератор, подключенный к датчику перемещения чувствительного элемента и демодулятору, дополнительно содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор с цифровым портом, цифроаналоговый преобразователь, ключ, сумматор, усилитель и преобразователь электрического сигнала в механические колебания, связанный с чувствительным элементом, а также фильтр, подключенный входом к демодулятору, а выходом - ко второму входу сумматора, причем вход аналого-цифрового преобразователя подключен к демодулятору, а управляющим входом ключ подключен к микропроцессору.
Технический результат достигается также тем, что преобразователь электрического сигнала в механические колебания выполнен в виде электромагнита, чувствительный элемент выполнен в виде подвижной мембраны из магнитного материала, являющейся одним из электродов емкостного датчика или связанной с первым электродом емкостного датчика, причем второй, неподвижный электрод емкостного датчика связан с корпусом и выполнен из немагнитного материала.
На фиг.1 представлено устройство, обеспечивающее требуемый технический результат.
Принятые обозначения: 1 - корпус; 2 - чувствительный элемент; 3 - датчик; 4 - полосовой усилитель; 5 - демодулятор; 6 - аналоговый выход устройства; 7 - генератор; 8 - аналого-цифровой преобразователь; 9 - микропроцессор; 10 - цифровой порт микропроцессора; 11 - цифроаналоговый преобразователь; 12 - ключ; 13 - сумматор; 14 - усилитель; 15 - преобразователь электрического сигнала в механические колебания; 16 - фильтр.
Устройство, представленное на фиг.1, содержит корпус 1, чувствительный элемент 2, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса 1, последовательно соединенные чувствительный элемент 2, датчик 3 перемещения чувствительного элемента 2, полосовой усилитель 4 и демодулятор 5, подключенный к аналоговому выходу 6 устройства, а также генератор 7, подключенный к датчику 3 перемещения чувствительного элемента 2 и демодулятору 5, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 8, микропроцессор 9 с цифровым портом 10, цифроаналоговый преобразователь 11, ключ 12, сумматор 13, усилитель 14 и преобразователь 15 электрического сигнала в механические колебания, связанный с чувствительным элементом 2, а также фильтр 16, подключенный входом к демодулятору 5, а выходом - ко второму входу сумматора 13, причем вход аналого-цифрового преобразователя подключен к демодулятору 5, а управляющим входом ключ 12 подключен к микропроцессору 9.
На фиг.2 представлен один из возможных примеров реализации устройства с емкостным датчиком 3 перемещения чувствительного элемента 2 (мембраны) и электромагнитным преобразователем 15 электрического сигнала в механические колебания мембраны 2, выполненной из магнитного материала и используемой в качестве первого электрода емкостного датчика 3 (в другом варианте исполнения первый электрод емкостного датчика может быть изолирован от мембраны и наклеен на нее, либо связан с мембраной промежуточным звеном). Второй электрод емкостного датчика 3 выполнен из немагнитного материала и неподвижен, связан механически с корпусом и изолирован от него, или в качестве второго электрода может быть использован корпус или другие детали конструкции.
Устройство, представленное на фиг.1, работает следующим образом. Чувствительный элемент 2 закреплен в корпусе 1 между окружающей средой и корпусом, содержащим опорную среду, так, что изменения давления окружающей среды приводят к смещению чувствительного элемента 2, в качестве которого могут быть использованы мембрана, сильфон или пластинка на подвесе. Смещение чувствительного элемента 2 относительно нейтрального положения приводит к изменению параметра (амплитуда, частота, фаза, длительность импульса) электрического сигнала на выходе датчика 3, на который электрический сигнал поступает от генератора 7. С выхода датчика 3 сигнал поступает через полосовой усилитель 4 на демодулятор 5, на который также подается опорный сигнал от генератора 7, благодаря чему на выходе демодулятора 5, подключенном к аналоговому выходу 6 устройства, формируется аналоговый сигнал, амплитуда которого зависит от смещения чувствительного элемента 2. С выхода демодулятора 5 аналоговый сигнал поступает на фильтр 16, формирующий требуемую частотную характеристику устройства и далее через сумматор 13 поступает на усилитель 14, обеспечивающий требуемую амплитуду сигнала для работы преобразователя 15 электрического сигнала в механические колебания. Преобразователь 15 электрического сигнала в механические колебания связан с чувствительным элементом 2 механически или воздействует на чувствительный элемент 2 через среду, вызывая его перемещения. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь, уменьшающая перемещение чувствительного элемента 2, увеличивающая динамический диапазон устройства и расширяющая частотный диапазон. Это повышает точность измерения в более широком диапазоне амплитуд входных инфразвуковых сигналов. С выхода демодулятора аналоговая информация поступает на аналого-цифровой преобразователь 8 и далее на микропроцессор 9, реализующий обмен с пользователем с помощью цифрового порта 10. Кроме того, для повышения точности измерений предусмотрена калибровка устройства эталонными синусоидальными инфразвуковыми сигналами. Для этого в памяти микропроцессора 9 размещен массив чисел, например цифровой образ синусоиды. При поступлении от пользователя через цифровой порт 10 команды «калибровка», содержащей задание амплитуды и частоты, числа цифрового массива умножаются на коэффициент, соответствующий заданной амплитуде и массив чисел выдается в цифроаналоговый преобразователь 11 с заданной частотой. При подаче от микропроцессора сигнала на управляющий вход ключа 12, ключ замыкается и подает калибровочный синусоидальный сигнал, сформированный на выходе цифроаналогового преобразователя 11, через сумматор 13 и усилитель 14 на преобразователь 15 электрического сигнала в механические колебания, формирующий эталонные синусоидальные инфразвуковые сигналы.
При изменении амплитуды и частоты калибровочных сигналов по напряжению на аналоговом выходе 6, известным характеристикам звеньев и известному напряжению и частоте калибровки проводится расчет амплитудной и амплитудно-частотной характеристик устройства.
Преобразователь 15 может быть установлен также с другой стороны чувствительного элемента 2, или на корпусе, или на деталях конструкции.
Устройство, представленное на фиг.2, работает следующим образом.
Смещение чувствительного элемента 2 (например, мембраны) относительно неподвижного электрода датчика 3 приводит к изменению емкости датчика и появлению сигнала на аналоговом выходе устройства. Усиленный сигнал с аналогового выхода поступает на преобразователь 15 электрического сигнала в механические колебания, выполненный в виде электромагнита, перемещающего мембрану (чувствительный элемент 2). Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь, уменьшающая перемещение чувствительного элемента 2, увеличивающая динамический диапазон устройства и расширяющая частотный диапазон.
Источники информации
1. К.В.Кислов, Ю.А.Колесников, А.Ю.Марченков, Ю.О.Старовойт, Микробарометр, Авторское свидетельство SU 1769172 A1, G01V 1/16, G01L 23/00, 1990.
2. Микробарометр MB 2000, Техническое описание, Microbarometre MB 2000, Technical manual, Departement Analyse et Surveillance de L'Environnement (DASE), 1998.