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 или жидкой 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.
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. 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. 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, емкостные датчики перемещения чувствительного элемента, связанного с окружающей средой и средой внутри корпуса, блок электроники, включающий последовательно соединенные первый усилитель и демодулятор, связанный с генератором, подключенном к емкостным датчикам, а также второй усилитель и фильтр,  содержит внутри корпуса трубчатый цилиндр, первую и вторую взаимно перпендикулярные продольные перегородки, первое и второе основания, первый и второй дисковые дроссели, два опорных кольца, нить, натяжную втулку, кронштейн, регулировочный винт, контргайку, два пылезащитных фильтра, две крышки, магнитоэлектрический преобразователь, спиральную пружину и фиксатор пружины, причем вход первого усилителя подключен к емкостным датчикам, выход второго усилителя подключен к магнитоэлектрическому преобразователю, а вход второго усилителя подключен к выходу фильтра, выход демодулятора подключен к выходу устройства и ко входу фильтра, блок электроники размещен на первом основании, первая и вторая продольные перегородки связаны с первым и вторым дисковыми дросселями, установлены по диаметрам трубчатого цилиндра, с общей продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра, емкостные датчики соединены параллельно, установлены с зазором параллельно разным сторонам у противоположных концов чувствительного элемента, связаны с первым и вторым дисковыми дросселями и разделены первой и второй продольными перегородками, магнитоэлектрический преобразователь связан с первым и вторым дисковыми дросселями и установлен с зазором параллельно чувствительному элементу, 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, первый дисковый дроссель выполнен с отверстием в центре, двумя первыми отверстиями, разделенными первой продольной перегородкой и размещенными у противоположных концов первой продольной перегородки, а также с двумя вторыми отверстиями, разделенными второй продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов второй продольной перегородки и отделенными от первых отверстий чувствительным элементом и первой продольной перегородкой, второй дисковый дроссель выполнен с отверстием в центре и двумя третьими отверстиями, разделенными первой продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов первой продольной перегородки и отделенными от первых отверстий первой продольной перегородкой, а также с двумя четвертыми отверстиями, разделенными второй продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов второй продольной перегородки, отделенными от третьих отверстий чувствительным элементом и первой продольной перегородкой и отделенными второй продольной перегородкой от вторых отверстий, кронштейн размещен на первом основании и снабжен отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра, регулировочный винт установлен в отверстии кронштейна, контргайка установлена на регулировочном винте, первое и второе основания снабжены отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований, ограниченной торцами трубчатого цилиндра, нить одним концом размещена в отверстии в центре первого основания, в отверстии в центре первого дискового дросселя и связана с регулировочным винтом, а другим концом размещена в отверстии в центре второго дискового дросселя и связана с натяжной втулкой, размещенной в отверстии в центре второго основания, спиральная пружина размещена параллельно первому и второму основаниям, центральным концом связана с нитью, а другим концом связана с фиксатором пружины, размещенном в отверстии первого основания, чувствительный элемент размещен в продольной прорези в центрах первой и второй продольных перегородок, связан с нитью и выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных пластинок с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра, пылезащитные фильтры и крышки размещены на торцах корпуса, крышки выполнены с отверстиями, трубчатый цилиндр выполнен из теплоизолирующего материала, чувствительный элемент выполнен из магнитного материала, а емкостные датчики выполнены из немагнитного материала.
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 одной проекции которого условно не показаны первая и вторая продольные перегородки 11, 12
На фиг. 2 представлена схема возможного варианта установки устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды (микробарометра) в скважине с сейсмометром.
На фиг.3 представлена схема возможного варианта связей чувствительного элемента 3, емкостных датчиков 2, магнитоэлектрического преобразователя 24 и блока электроники 4.
Принятые обозначения:
1 – корпус; 2 - емкостные датчики, 3 - чувствительный элемент; 4 - блок электроники, 5 – первый усилитель, 6 - демодулятор, 7 - генератор, 8 - второй усилитель, 9 - фильтр, 10 - трубчатый цилиндр, 11 - первая продольная перегородка, 12 - вторая продольная перегородка, 13 - первое основание, 14 - второе основание, 15 - первый дисковый дроссель, 16 – второй дисковый дроссель, 17 - опорные кольца, 18 - нить, 19 - натяжная втулка, 20 - кронштейн, 21 – регулировочный винт, 22 – контргайка, 23 – пылезащитные фильтры, 24 – крышки, 25 – магнитоэлектрический преобразователь, 26 – спиральная пружина, 27 – фиксатор пружины.
дополнительно
Устройство, представленное на фиг. 1, содержит корпус 1, емкостные датчики 2 перемещения чувствительного элемента 3, связанного с окружающей средой и средой внутри корпуса 1, блок 4 электроники, включающий последовательно соединенные первый усилитель 5 и демодулятор 6, связанный с генератором 7, подключенном к емкостным датчикам 2, а также второй усилитель 8 и фильтр 9,  содержит внутри корпуса 1 трубчатый цилиндр 10, первую и вторую взаимно перпендикулярные продольные перегородки 11, 12, первое основание 13, второе основание 14, первый дисковый дроссель 15, второй дисковый дроссель 16, два опорных кольца 17, нить 18, натяжную втулку 19, кронштейн 20, регулировочный винт 21, контргайку 22, два пылезащитных фильтра 23, две крышки 24, магнитоэлектрический преобразователь 25, спиральную пружину 26 и фиксатор 27 пружины, причем вход первого усилителя 5 подключен к емкостным датчикам 2, выход второго усилителя 8 подключен к магнитоэлектрическому преобразователю 25, а вход второго усилителя 8 подключен к выходу фильтра 9, выход демодулятора 6 подключен к выходу устройства и ко входу фильтра 9, блок 4 электроники размещен на первом основании 13, первая и вторая продольные перегородки 11, 12 связаны с первым и вторым дисковыми дросселями 15, 16, установлены по диаметрам трубчатого цилиндра 10 с общей продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 10, емкостные датчики 2 соединены параллельно, установлены с зазором параллельно разным сторонам у противоположных концов чувствительного элемента 3, связаны с первым и вторым дисковыми дросселями 15, 16 и разделены первой и второй продольными перегородками 11, 12, магнитоэлектрический преобразователь 25 связан с первым и вторым дисковыми дросселями 15, 16 и установлен с зазором параллельно чувствительному элементу 3, первое и второе основания 13, 14 снабжены отверстиями и размещены внутри корпуса 1 на торцах трубчатого цилиндра 10, первый и второй дисковые дроссели 15, 16 размещены посредством опорных колец 17 на первом и втором основаниях 13, 14 внутри трубчатого цилиндра 10, первый дисковый дроссель 15 выполнен с отверстием в центре, двумя первыми отверстиями, разделенными первой продольной перегородкой 11 и размещенными у противоположных концов первой продольной перегородки 11, а также с двумя вторыми отверстиями, разделенными второй продольной перегородкой 12, размещенными у противоположных концов второй продольной перегородки 12 и отделенными от первых отверстий чувствительным элементом 3 и первой продольной перегородкой 11, второй дисковый дроссель 16 выполнен с отверстием в центре и двумя третьими отверстиями, разделенными первой продольной перегородкой 11, размещенными у противоположных концов первой продольной перегородки 11 и отделенными от первых отверстий первой продольной перегородкой 11, а также с двумя четвертыми отверстиями, разделенными второй продольной перегородкой 12, размещенными у противоположных концов второй продольной перегородки 12, отделенными от третьих отверстий чувствительным элементом 3 и первой продольной перегородкой 11 и отделенными второй продольной перегородкой 12 от вторых отверстий, кронштейн 20 размещен на первом основании 13 и снабжен отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра 10, регулировочный винт 21 установлен в отверстии кронштейна 20, контргайка 22 установлена на регулировочном винте 21, первое и второе основания 13, 14 снабжены отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований 13, 14, ограниченной торцами трубчатого цилиндра 10, нить 18 одним концом размещена в отверстии в центре первого основания 13, в отверстии в центре первого дискового дросселя 15 и связана с регулировочным винтом 21, а другим концом размещена в отверстии в центре второго дискового дросселя 16 и связана с натяжной втулкой 19, размещенной в отверстии в центре второго основания 14, спиральная пружина 26 размещена параллельно первому и второму основаниям 13, 14, центральным концом связана с нитью 18, а другим концом связана с фиксатором пружины 27, размещенном в отверстии первого основания 13, чувствительный элемент 3 размещен в продольной прорези в центрах продольных перегородок 11, 12, связан с нитью 18 и выполнен в виде двух взаимно перпендикулярных пластинок с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 10, пылезащитные фильтры 23 и крышки 24 размещены на торцах корпуса 1, крышки 24 выполнены с отверстиями произвольной формы, трубчатый цилиндр 10 выполнен из теплоизолирующего материала, чувствительный элемент 3 выполнен из магнитного материала, а емкостные датчики 2 выполнены из немагнитного материала.
Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, представленное на фиг. 1, работает следующим образом.
В корпусе 1 установлен трубчатый цилиндр 10, выполненный из теплоизолирующего материала, снабженный первой и второй продольными перегородками 11,12 с продольными осями, совмещенными с осью трубчатого цилиндра 10, которые делят трубчатый цилиндр 10 на четыре отсека. Чувствительный элемент 3, размещенный в продольной прорези в центре взаимно перпендикулярных первой и второй продольных перегородок 11,12, связанный с нитью 18 и выполненный в виде двух взаимно перпендикулярных пластинок с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 10, делит каждый отсек на две части, в одну из которых поступает воздух или жидкость из окружающей среды, а в другую поступает воздух или жидкость из изолированного замкнутого объема, например, из скважины. Воздух или жидкость поступает в отсеки через отверстия произвольной формы в крышках 24, затем через пылезащитные фильтры 23, через круглые отверстия в первом и втором основаниях 13, 14 и через отверстия произвольной формы в первом и втором дисковых дросселях 15, 16, закрепленных на первом и втором основаниях 13, 14 посредством двух опорных колец 17. Изменения давления окружающей среды приводят к смещению чувствительного элемента 3. Смещение чувствительного элемента 3 относительно нейтрального положения приводит к изменению емкости емкостных датчиков 2, связанных с первым и вторым дисковыми дросселями 15, 16 и разделенных первой и второй продольными перегородками 11, 12. Емкостные датчики 2 соединены параллельно, установлены с зазором параллельно разным сторонам у противоположных концов чувствительного элемента 3, но могут быть размещены с одной стороны чувствительного элемента 3 и включены по мостовой схеме. Как показано на фиг. 3, на емкостные датчики 2 из блока электроники 4 подается от генератора 7 высокочастотное напряжение, изменения амплитуды которого на выходах емкостных датчиков 2 соответствуют изменениям давления окружающей среды и передаются последовательно на первый усилитель 5, демодулятор 6, фильтр 9, второй усилитель 8 и магнитоэлектрический преобразователь 25. С выхода демодулятора 6 сигнал поступает к пользователям для дальнейшей обработки. Для обеспечения свободного поворота чувствительного элемента 3 к нему прикреплена нить 18, которая закреплена одним концом в натяжной втулке 19, установленной на втором основании 14, а другим концом закреплена в регулировочном винте 21, установленном в отверстии кронштейна 20. Возврат чувствительного элемента 3 в нейтральное положение осуществляется с помощью усилия закручивания нити 18, связанной со спиральной пружиной 26, закрепленной в отверстии первого основания 13 фиксатором 27 пружины, а также осуществляется с помощью магнитоэлектрического преобразователя 25, связанного с первым и вторым дисковыми дросселями 15, 16 и реализующего отрицательную обратную связь. С помощью отверстий произвольной формы в первом и втором дисковых дросселях 15, 16, первом и втором основаниях 13, 14 и крышках 24 ограничивается доступ среды к чувствительному элементу 3, и амплитуда его перемещений для формирования требуемой амплитудно–частотной характеристики. При настройке устройства, с помощью натяжной втулки 19, регулировочного винта 21 и спиральной пружины 26, вращением нити 18 вокруг оси устанавливают требуемое положение и усилие возврата чувствительного элемента 3 в нейтральное положение и устанавливают требуемое натяжение нити 18 с помощью контргайки 22. Нить 18 может быть выполнена из пластмассы или металла в виде тонкой струны. Для снижения уровня тепловых шумов устройство может быть размещено, например, в скважине, где 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 возможного варианта установки устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды в скважине с сейсмометром.
Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемое устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды обеспечивает повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
Источники информации
1. Infrasound Sensor – Model 50, Manual, описание, Chaparral Physics, div of Geophysical Institute, 2006, http://www.geoinstr.com/ds-model25.pdf
2. Infrasound Sensor – Model 25, Manual, описание, Chaparral Physics, div of Geophysical Institute, 4 December 2006, http://www.geoinstr.com/ds-model50.pdf
3. 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
4. Дифференциальный микробарометр ISGM-03M, описание, Научно-технический центр "Геофизические измерения", 2013, http://ntcgi.ru/products/differential-mikrobarometr-isgm-03m.php