Результат интеллектуальной деятельности: 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, 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 измерений 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 измерений 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 измерений инфразвуковых колебаний среды.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявленным изобретением, является повышение точности измерений инфразвуковых колебаний среды.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, содержащее корпус, мембрану, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса, последовательно соединенные емкостный датчик перемещения мембраны и усилитель-демодулятор, а также аналоговый выход устройства и генератор, подключенный к емкостному датчику и усилителю-демодулятору, дополнительно 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, причем фильтр постоянной составляющей подключен входом к усилителю-демодулятору, а выходом подключен ко входам второго, третьего и четвертого компараторов, выход усилителя-демодулятора подключен к 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, первого и второго таймеров, входы первого и четвертого ключей подключены к выходу пятого ключа, вход последнего подключен к плюсу источника питания, входы второго и третьего ключей подключены к минусу 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, первый, второй, третий и четвертый компараторы выполнены с управлением по порогам срабатывания, первый и второй таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, 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 чертеже представлена схема устройства для измерения инфразвуковых колебаний среды, обеспечивающего требуемый технический результат.

Принятые обозначения:

1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - емкостный датчик; 4 - усилитель-демодулятор; 5 - аналоговый выход устройства; 6 - генератор; 7 - сильфон; 8 - фильтр постоянной составляющей; 9 - первый компаратор; 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; 27 - схема ИЛИ; 28 - пятый ключ; 29 - четвертый компаратор; 30 - седьмой вход; 31 - восьмой вход.

Устройство, представленное на чертеже, содержит корпус 1, мембрану 2, связанную с окружающей средой и средой внутри корпуса 1, последовательно соединенные емкостный датчик 3 перемещения мембраны 2 и усилитель-демодулятор 4, а также аналоговый выход устройства 5 и генератор 6, подключенный к емкостному датчику 3 и усилителю-демодулятору 4, дополнительно 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, причем фильтр 8 постоянной составляющей подключен входом к усилителю-демодулятору 4, а выходом подключен ко входам второго, третьего и четвертого компараторов 13, 26, 29, выход усилителя-демодулятора 4 подключен к 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, первого и второго таймеров 11, 15, входы первого и четвертого ключей 12, 24 подключены к выходу пятого ключа 28, вход последнего подключен к плюсу источника питания, входы второго и третьего ключей 16, 23 подключены к минусу 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, 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, а сильфон 7 размещен между окружающей средой и средой внутри корпуса 1, выполненного герметичным.

Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды, представленное на чертеже, работает следующим образом.

Мембрана 2 закреплена в корпусе 1 между окружающей средой и корпусом, содержащим опорную среду, так, что изменения давления окружающей среды приводят к смещению мембраны 2. Смещение мембраны 2 относительно нейтрального положения приводит к изменению амплитуды электрического сигнала на выходе емкостного датчика 3, на который электрический сигнал поступает от генератора 6. С выхода емкостного датчика 3, включенного по мостовой схеме, сигнал поступает на усилитель-демодулятор 4, на который также подается опорный сигнал от генератора 6, благодаря чему на выходе усилителя-демодулятора 4, подключенном к аналоговому выходу 5 устройства, формируется аналоговый сигнал, амплитуда и знак которого зависят от смещения мембраны 2. С выхода усилителя-демодулятора 4 аналоговый сигнал поступает на фильтр 8 постоянной составляющей сигнала усилителя-демодулятора 4, которая, в зависимости от разбаланса 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 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 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 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 третьего ключей 12, 23, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение сильфона 7 и изменение объема воздуха внутри корпуса 1, уменьшающие отрицательный сигнал разбаланса 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 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 четвертого ключей 16, 24, подающих питание на микродвигатель 25 с полярностью, которая обеспечивает перемещение сильфона 7 и изменение объема воздуха внутри корпуса 1, уменьшающие положительный сигнал разбаланса 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 емкостного датчика 3. При уменьшении разбаланса менее допустимого значения выключаются третий или четвертый компараторы 26, 29 и останавливают микродвигатель 25 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. Предусмотрена, при необходимости, ручная установка баланса емкостного датчика 3 подачей сигналов на третий или четвертый входы 19, 20.

Таким образом, достигается заявленный результат и предлагаемое устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды обеспечивает повышение точности измерений 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