УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ СРЕДЫ

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 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, в том числе при использовании акустических фильтров.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее акустический фильтр в виде N секций (N≥1), связанный с корпусом, 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, первый ключ, сумматор, первый усилитель и первый преобразователь электрического сигнала в механические колебания, связанный с чувствительным элементом, фильтр, подключенный входом к демодулятору и выходом - ко второму входу сумматора, а для каждой из N секций - последовательно соединенные (N+1) ключ, (N+1) усилитель и (N+1) преобразователь электрического сигнала в механические колебания, установленный на входе в N секцию, причем вход аналого-цифрового преобразователя подключен к демодулятору, входы ключей подключены к цифроаналоговому преобразователю, а управляющими входами ключи подключены к микропроцессору.

Технический результат достигается также тем, что преобразователь электрического сигнала в механические колебания выполнен в виде электродинамического преобразователя электрического сигнала в механические колебания мембраны, чувствительный элемент выполнен в виде подвижной мембраны, являющейся одним из электродов емкостного датчика или связанной с первым электродом емкостного датчика, причем второй неподвижный электрод емкостного датчика связан с корпусом.

На фиг. 1 представлено устройство, обеспечивающее требуемый технический результат.

Принятые обозначения:

1 - акустический фильтр; 2 - секция акустического фильтра; 3 - корпус; 4 - чувствительный элемент; 5 - датчик; 6 - полосовой усилитель; 7 - демодулятор; 8 - аналоговый выход устройства; 9 - генератор; 10 - аналого-цифровой преобразователь; 11 - микропроцессор; 12 - цифровой порт микропроцессора; 13 - цифроаналоговый преобразователь; 14 - первый ключ; 15 - сумматор; 16 - первый усилитель; 17 - первый преобразователь электрического сигнала в механические колебания; 18 - фильтр; 19 - (N+1) ключ; 20 - (N+1) усилитель; 21 - (N+1) преобразователь электрического сигнала в механические колебания.

Устройство, представленное на фиг.1, содержит акустический фильтр 1 с секциями акустического фильтра 2; корпус 3, чувствительный элемент 4, связанный с окружающей средой и средой внутри корпуса 3, последовательно соединенные датчик 5 перемещения чувствительного элемента 4, полосовой усилитель 6 и демодулятор 7, подключенный к аналоговому выходу 8 устройства, а также генератор 9, подключенный к датчику 5 перемещения чувствительного элемента 4 и демодулятору 7, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 10, микропроцессор 11 с цифровым портом 12, цифроаналоговый преобразователь 13, первый ключ 14, сумматор 15, первый усилитель 16 и первый преобразователь 17 электрического сигнала в механические колебания, связанный с чувствительным элементом 4, фильтр 18, подключенный входом к демодулятору 7, а выходом - ко второму входу сумматора, а для каждой N секции - последовательно соединенные (N+1) ключ 19, (N+1) усилитель 20 и (N+1) преобразователь 21 электрического сигнала в механические колебания, установленный на входе в N секцию акустического фильтра 2, причем вход аналого-цифрового преобразователя подключен к демодулятору 7, входы ключей подключены к цифроаналоговому преобразователю 13, а управляющими входами ключи подключены к микропроцессору 11.

На фиг. 2 представлен один из возможных примеров реализации устройства с емкостным датчиком 5 перемещения чувствительного элемента 4 (мембраны) и электродинамическим преобразователем 17 электрического сигнала в механические колебания мембраны 4, используемой в качестве первого электрода емкостного датчика 5 (в другом варианте исполнения первый электрод емкостного датчика может быть изолирован от мембраны и наклеен на нее). Второй электрод емкостного датчика 5 неподвижен.

Устройство, представленное на фиг. 1, работает следующим образом. Акустический фильтр 1 с секциями 2 связан с корпусом 3. Чувствительный элемент 4 закреплен в корпусе 3 между окружающей средой и корпусом, содержащим опорную среду, так, что изменения давления окружающей среды приводят к смещению чувствительного элемента 4, в качестве которого могут быть использованы мембрана, сильфон или пластинка на подвесе. Смещение чувствительного элемента 4 относительно нейтрального положения приводит к изменению параметра (амплитуда, частота, фаза, длительность импульса) электрического сигнала на выходе датчика 5, на который электрический сигнал поступает от генератора 9. С выхода датчика 5 сигнал поступает через полосовой усилитель 6 на демодулятор 7, на который также подается опорный сигнал от генератора 9, благодаря чему на выходе демодулятора 7, подключенном к аналоговому выходу 8 устройства, формируется аналоговый сигнал, амплитуда которого зависит от смещения чувствительного элемента 4. С выхода демодулятора 7 аналоговый сигнал поступает на фильтр 18, формирующий требуемую частотную характеристику устройства и далее, через сумматор 15, поступает на первый усилитель 16, обеспечивающий требуемую амплитуду сигнала для работы первого преобразователя 17 электрического сигнала в механические колебания. Первый преобразователь 17 электрического сигнала в механические колебания связан с чувствительным элементом 4 механически или воздействует на чувствительный элемент 4 через среду, вызывая его перемещения. Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь, уменьшающая перемещение чувствительного элемента 4, увеличивающая динамический диапазон устройства и расширяющая частотный диапазон. Это повышает точность измерения в более широком диапазоне амплитуд входных инфразвуковых сигналов. Кроме того, для повышения точности измерений предусмотрена калибровка устройства эталонными синусоидальными инфразвуковыми сигналами. Для этого в памяти микропроцессора 11 размещен массив чисел, например цифровой образ синусоиды. При поступлении от пользователя через цифровой порт 12 команды «калибровка», содержащей задание амплитуды и частоты, числа цифрового массива умножаются на коэффициент, соответствующий заданной амплитуде, и массив чисел выдается в цифроаналоговый преобразователь 13 с заданной частотой. При подаче от микропроцессора сигнала на управляющий вход первого ключа 14 первый ключ замыкается и подает калибровочный синусоидальный сигнал, сформированный на выходе цифроаналогового преобразователя 13, через сумматор 15 и усилитель 16 на преобразователь 17 электрического сигнала в механические колебания, формирующий эталонные синусоидальные инфразвуковые сигналы.

При изменении амплитуды и частоты калибровочных сигналов, по напряжению на аналоговом выходе 8, известным характеристикам звеньев и известному напряжению и частоте калибровки проводится расчет амплитудной и амплитудно-частотной характеристик устройства.

При снятии сигнала с управляющего входа первого ключа и подаче на управляющий вход (N+1) ключа, (N+1) ключ 19 замыкается и подает калибровочный сигнал от цифроаналогового преобразователя 13 через (N+1) усилитель 20 на (N+1) преобразователь 21 электрического сигнала в механические колебания, формирующий эталонные синусоидальные инфразвуковые сигналы.

При изменении амплитуды и частоты калибровочных сигналов, по напряжению на аналоговом выходе 8, известным характеристикам звеньев и известному напряжению и частоте калибровки проводится расчет амплитудной и амплитудно-частотной характеристик устройства в целом, включая акустический фильтр (если включены все ключи 19) или отдельные секции. Это позволяет выявлять изменения, связанные с засорением или повреждением отдельных секций акустического фильтра.

Первый преобразователь 17 может быть установлен также с другой стороны чувствительного элемента 4, на корпусе или на перегородке между отсеками.

Устройство, представленное на фиг.2, работает следующим образом. Смещение чувствительного элемента 4 относительно неподвижного электрода датчика 5 приводит к изменению емкости датчика и появлению сигнала на аналоговом выходе устройства. Усиленный сигнал с аналогового выхода поступает на первый преобразователь 17 электрического сигнала в механические колебания, выполненный в виде электродинамического громкоговорителя, перемещающего мембрану (чувствительный элемент 4). Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь, уменьшающая перемещение чувствительного элемента 4, 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 Analysed Surveillance de L'Environnement (DASE), 1998.