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

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, 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 [1], [2]. 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 то, что оно не обеспечивает требуемой точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
Известно устройство 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 [3]. 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 то, что оно не обеспечивает требуемой точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому (прототипом) является устройство 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 [4]. 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 измерения инфразвуковых колебаний среды.
Техническим результатом является повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
дополнительно
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, первую мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные первый емкостный датчик перемещения мембраны и первый усилитель - демодулятор, а также первый аналоговый выход устройства и генератор, подключенный к первому емкостному датчику и первому усилителю – демодулятору,  содержит сильфон, последовательно соединенные фильтр постоянной составляющей, первый компаратор с инверсным входом, первую схему И, первый таймер и вход управления первого ключа, последовательно соединенные второй компаратор, вторую схему И, второй таймер и вход управления второго ключа, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы, третий ключ, четвертый ключ, микродвигатель с приводом, механически связанный с сильфоном, включенный между выходами первого и четвертого ключей, последовательно соединенные третий компаратор с инверсным входом, схему ИЛИ и вход управления пятого ключа, а также четвертый компаратор, подключенный ко второму входу схемы ИЛИ, седьмой и восьмой входы, вторую мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные второй емкостный датчик перемещения мембраны, второй усилитель – демодулятор, первый усилитель и аналоговый сумматор, а также второй усилитель, подключенный входом к первому усилителю – демодулятору, а выходом подключенный ко второму входу аналогового сумматора, второй и третий аналоговые выходы, девятый и десятый входы, последовательно подключенные ко второму аналоговому выходу первый блок обратной связи и первый магнитоэлектрический преобразователь, последовательно подключенные к третьему аналоговому выходу второй блок обратной связи и второй магнитоэлектрический преобразователь, причем первый магнитоэлектрический преобразователь связан с первым емкостным датчиком и с первой мембраной, второй магнитоэлектрический преобразователь связан со вторым емкостным датчиком и со второй мембраной, фильтр постоянной составляющей подключен входом к аналоговому сумматору, а выходом подключен ко входам второго, третьего и четвертого компараторов, выход аналогового сумматора подключен к первому аналоговому выходу, выходы первого и второго таймеров подключены к инверсным вторым входам, соответственно, второй и первой схем И, входы управления третьего и четвертого ключей подключены к выходам, соответственно, второго и первого таймеров, входы первого и третьего ключей подключены к минусу источника питания, входы второго и четвертого ключей подключены к выходу пятого ключа, вход последнего подключен к плюсу источника питания, выход третьего ключа соединен с выходом четвертого ключа, выход второго ключа соединен с выходом первого ключа, первый и шестой входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго компараторов, второй и пятый входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго таймеров, третий и четвертый входы подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго ключей, седьмой и восьмой входы подключены к управляющим входам, соответственно, третьего и четвертого компараторов, девятый и десятый входы подключены к управляющим входам, соответственно, второго и первого усилителей, второй и третий аналоговые выходы подключены к выходам, соответственно, первого и второго усилителей – демодуляторов, генератор подключен ко второму емкостному датчику и второму усилителю – демодулятору, первый, второй, третий и четвертый компараторы выполнены с управлением по порогам срабатывания, первый и второй таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, первый и второй усилители выполнены в виде широкополосных усилителей постоянного тока с управлением по чувствительности, первый и второй блоки обратной связи выполнены в виде последовательно соединенных фильтра и усилителя, а сильфон размещен между окружающей средой и средой внутри корпуса, выполненного герметичным.
Такое выполнение устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды обеспечивает повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды.
На фиг. 1 представлена схема устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды, обеспечивающего требуемый технический результат.
На фиг. 2 представлена известная схема подключения блока обратной связи по перемещению мембран [5].
Принятые обозначения:
1 – корпус; 2 – первая мембрана; 3 – первый емкостный датчик перемещения мембраны; 4 – первый усилитель – демодулятор; 5 – первый аналоговый выход устройства; 6 – генератор; 7 – сильфон; 8 – фильтр постоянной составляющей; 9 – первый компаратор с инверсным входом; 10 – первая схема И; 11 – первый таймер; 12 – первый ключ; 13 – второй компаратор; 14 – вторая схема И; 15 – второй таймер; 16 – второй ключ; 17 – первый вход; 18 – второй вход; 19 – третий вход; 20 – четвертый вход; 21 – пятый вход; 22 – шестой вход; 23 – третий ключ; 24 – четвертый ключ; 25 – микродвигатель; 26 – третий компаратор с инверсным входом; 27 – схема ИЛИ; 28 – пятый ключ; 29 – четвертый компаратор; 30 – седьмой вход; 31 – восьмой вход; 32 – вторая мембрана; 33 – второй емкостный датчик перемещения мембраны; 34 – второй усилитель – демодулятор; 35 – первый усилитель; 36 – аналоговый сумматор; 37 – второй усилитель; 38 – второй аналоговый выход устройства; 39 – третий аналоговый выход устройства; 40 – девятый вход; 41 – десятый вход; 42 – первый блок обратной связи; 43 – первый магнитоэлектрический преобразователь; 44 – второй блок обратной связи; 45 – второй магнитоэлектрический преобразователь.
дополнительно
Устройство, представленное на фиг. 1, содержит корпус 1, первую мембрану 2, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса 1, последовательно соединенные первый емкостный датчик 3 перемещения мембраны и первый усилитель-демодулятор 4, а также первый аналоговый выход 5 устройства и генератор 6, подключенный к первому емкостному датчику 3 и первому усилителю-демодулятору 4,  содержит сильфон 7, последовательно соединенные фильтр 8 постоянной составляющей, первый компаратор 9 с инверсным входом, первую схему И 10, первый таймер 11 и вход управления первого ключа 12, последовательно соединенные второй компаратор 13, вторую схему И 14, второй таймер 15 и вход управления второго ключа 16, а также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы 17, 18, 19, 20, 21, 22, третий ключ 23, четвертый ключ 24, микродвигатель 25 с приводом, механически связанный с сильфоном 7, включенный между выходами первого и четвертого ключей 12, 24, последовательно соединенные третий компаратор 26 с инверсным входом, схему ИЛИ 27 и вход управления пятого ключа 28, а также четвертый компаратор 29, подключенный ко второму входу схемы ИЛИ 27, седьмой и восьмой входы 30, 31, вторую мембрану 32, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса 1, последовательно соединенные второй емкостный датчик 33 перемещения мембраны, второй усилитель – демодулятор 34, первый усилитель 35 и аналоговый сумматор 36, а также второй усилитель 37, подключенный входом к первому усилителю – демодулятору 4, а выходом подключенный ко второму входу аналогового сумматора 36, второй и третий аналоговые выходы 38, 39, девятый и десятый входы 40, 41, последовательно подключенные ко второму аналоговому выходу 38 первый блок 42 обратной связи и первый магнитоэлектрический преобразователь 43, последовательно подключенные к третьему аналоговому выходу 39 второй блок 44 обратной связи и второй магнитоэлектрический преобразователь 45, причем первый магнитоэлектрический преобразователь 43 связан с первым емкостным датчиком 3 и с первой мембраной 2, второй магнитоэлектрический преобразователь 45 связан со вторым емкостным датчиком 33 и со второй мембраной 32, фильтр 8 постоянной составляющей подключен входом к аналоговому сумматору 36, а выходом подключен ко входам второго, третьего и четвертого компараторов 13, 26, 29, выход аналогового сумматора 36 подключен к первому аналоговому выходу 5, выходы первого и второго таймеров 11, 15 подключены к инверсным вторым входам, соответственно, второй и первой схем И 14, 10, входы управления третьего и четвертого ключей 23, 24 подключены к выходам, соответственно, второго и первого таймеров 15, 11, входы первого и третьего ключей 12, 23 подключены к минусу источника питания, входы второго и четвертого ключей 16, 24 подключены к выходу пятого ключа 28, вход последнего подключен к плюсу источника питания, выход третьего ключа 23 соединен с выходом четвертого ключа 24, выход второго ключа 16 соединен с выходом первого ключа 12, первый и шестой входы 17, 22 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго компараторов 9, 13, второй и пятый входы 18, 21 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго таймеров 11, 15, третий и четвертый входы 19, 20 подключены к управляющим входам, соответственно, первого и второго ключей 12, 16, седьмой и восьмой входы 30, 31 подключены к управляющим входам, соответственно, третьего и четвертого компараторов 26, 29, девятый и десятый входы 40, 41 подключены к управляющим входам, соответственно, второго и первого усилителей 37, 35, второй и третий аналоговые выходы 38, 39 подключены к выходам, соответственно, первого и второго усилителей – демодуляторов 4, 34, генератор 6 подключен ко второму емкостному датчику 33 и второму усилителю – демодулятору 34, первый, второй, третий и четвертый компараторы 9, 13, 26, 29 выполнены с управлением по порогам срабатывания, первый и второй таймеры 11, 15 выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, первый и второй усилители 35, 37 выполнены в виде широкополосных усилителей постоянного тока с управлением по чувствительности, первый и второй блоки 42, 44 обратной связи выполнены в виде последовательно соединенных фильтра и усилителя, а сильфон 7 размещен между окружающей средой и средой внутри корпуса 1, выполненного герметичным.
Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, представленное на фиг.1, работает следующим образом.
Первая мембрана 2 закреплена в корпусе 1 между окружающей средой и корпусом 1, содержащим опорную среду, так, что изменения давления окружающей среды приводят к смещению первой мембраны 2. Смещение первой мембраны 2 относительно нейтрального положения приводит к изменению амплитуды электрического сигнала на выходе первого емкостного датчика 3, на который электрический сигнал поступает от генератора 6. С выхода первого емкостного датчика 3, включенного по мостовой схеме, сигнал поступает на первый усилитель-демодулятор 4, на который также подается опорный сигнал от генератора 6, благодаря чему на выходе первого усилителя – демодулятора 4, подключенном ко второму аналоговому выходу 38 устройства, формируется аналоговый сигнал, амплитуда и знак которого зависят от смещения первой мембраны 2. С выхода первого усилителя-демодулятора 4 аналоговый сигнал поступает через второй усилитель 37 и аналоговый сумматор 36 на первый аналоговый выход 5 устройства и фильтр 8 постоянной составляющей сигнала первого усилителя – демодулятора 4 , которая, в зависимости от разбаланса первого емкостного датчика 3, может принимать положительные или отрицательные значения. При отсутствии сигналов (или сигналов менее пороговых значений, заданных в первом или втором компараторах 9, 13) первый и второй таймеры 11, 15 выключены, а нулевые сигналы на их выходах и на инверсных входах первой и второй схем И 10, 14 разрешают прохождение сигналов от первого и второго компараторов 9, 13 к первому и второму таймерам 11, 15. При появлении небольшого отрицательного сигнала допустимого разбаланса первого емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе третьего компаратора 26 появляется сигнал, включающий пятый ключ 28 через схему ИЛИ 27. При появлении небольшого положительного сигнала допустимого разбаланса первого емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе четвертого компаратора 29 появляется сигнал, включающий пятый ключ 28 через схему ИЛИ 27. При появлении отрицательного сигнала недопустимого разбаланса первого емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе первого компаратора 9 появляется сигнал, запускающий первый таймер 11 через первую схему И 10. Выходной сигнал первого таймера 11 поступает на входы управления первого и четвертого ключей 12, 24, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение сильфона 7 и изменение объема воздуха внутри корпуса 1, уменьшающие отрицательный сигнал разбаланса первого емкостного датчика 3. Одновременно выходной сигнал первого таймера 11 запрещает прохождение сигнала через вторую схему И 14 до окончания работы микродвигателя 25 и перемещения сильфона 7. При появлении положительного сигнала недопустимого разбаланса первого емкостного датчика 3 более порогового значения на выходе второго компаратора 13 появляется сигнал, запускающий второй таймер 15 через вторую схему И 14. Выходной сигнал второго таймера 15 поступает на входы управления второго и третьего ключей 16, 23, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение сильфона 7 и изменение объема воздуха внутри корпуса 1, уменьшающие положительный сигнал разбаланса первого емкостного датчика 3. Одновременно выходной сигнал второго таймера 15 запрещает прохождение сигнала через первую схему И 10 до окончания работы микродвигателя 25 и перемещения сильфона 7. Перемещения сильфона 7 вызывают изменение объема и давления воздуха внутри корпуса 1 и обеспечивают уменьшение разбаланса первого емкостного датчика 3. При уменьшении разбаланса менее допустимого значения выключаются третий или четвертый компараторы 26, 29 и останавливают микродвигатель 25 выключением пятого ключа 28 независимо от первого и второго таймеров 11, 15. Подачей сигналов с первого и шестого входов 17, 22 на управляющие входы первого и второго компараторов 9, 13 устанавливаются их пороги срабатывания. Подачей сигналов с седьмого и восьмого входов 30, 31 на управляющие входы третьего и четвертого компараторов 26, 29 устанавливаются их пороги срабатывания. Длительности выходных сигналов первого и второго таймеров 11, 15 устанавливаются в соответствии с порогами срабатывания первого и второго компараторов 9, 13 и регулируются подачей сигналов со второго и пятого входов 18, 21 на управляющие входы первого и второго таймеров 11, 15.
Аналогично, смещение второй мембраны 32 относительно нейтрального положения приводит к изменению амплитуды электрического сигнала на выходе второго емкостного датчика 33, на который электрический сигнал поступает от генератора 6. С выхода второго емкостного датчика 33, включенного по мостовой схеме, сигнал поступает на второй усилитель – демодулятор 34, на который также подается опорный сигнал от генератора 6, благодаря чему на выходе второго усилителя – демодулятора 34, подключенном к третьему аналоговому выходу 39 устройства, формируется аналоговый сигнал, амплитуда и знак которого зависят от смещения второй мембраны 32. С выхода второго усилителя – демодулятора 34 аналоговый сигнал поступает через первый усилитель 35 и аналоговый сумматор 36 на фильтр 8 постоянной составляющей сигнала второго усилителя – демодулятора 34 , которая, в зависимости от разбаланса второго емкостного датчика 33, может принимать положительные или отрицательные значения, устраняемые так же, как и при разбалансе первого емкостного датчика 3 перемещением сильфона 7.
Предусмотрена, при необходимости, ручная установка баланса первого и второго емкостных датчиков 3, 33 подачей сигналов на третий или четвертый входы 19, 20 и ручная установка усиления первого и второго усилителей 35, 37 подачей сигналов, соответственно, на десятый или девятый входы 41, 40 для выравнивания сигналов разбаланса первого и второго емкостных датчиков 3, 33. Для расширения динамического диапазона, как указано на фиг.2, использовано известное техническое решение [5], включающее первый и второй блоки 42, 44 обратной связи и первый и второй магнитоэлектрические преобразователи 43, 45.
Конструктивным недостатком известных устройств для измерения инфразвуковых колебаний среды [1], [2], [3], [4] является наличие камеры, суммирующей давление воздуха из входных отверстий корпуса микробарометра. При прохождении инфразвуковой волны в горизонтальном направлении воздух частично перетекает из одного входного отверстия в другое (продувка микробарометра), что приводит к появлению погрешностей измерения инфразвуковых колебаний среды. В предложенном техническом решении, кроме устранения разбаланса, точность повышается за счет раздельного измерения входных сигналов с последующим суммированием аналоговым сумматором 36.
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
5. Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды (патент РФ № 2485455, МПК G01H 11/00, 20.06. 2013.