МИКРОБАРОГРАФ Российский патент 1995 года по МПК G01L7/12 

Изобретение относится к устройствам для регистрации атмосферного давления, которые могут быть использованы при прогнозировании землетрясений, а также в геофизике для изучения влияния атмосферного давления на показания приборов.

Известен ряд фотоэлектрических микробарографов, содержащих корпус, барометрический датчик, фотоэлектрический преобразователь и регистратор [1].

Барометрический датчик выполнен в виде подвешенной на нитях рамки, внутри которой на закрученных нитях подвешено зеркало, жестко связанное с коромыслом. На одном конце коромысла закреплен чувствительный элемент в виде шара, а на другом - противовес с регулируемым грузом, при этом коромысло расположено в плоскости зеркала перпендикулярно оси его вращения. К рамке с помощью рычагов прикреплены измерительная и регулировочная пружины, а к зеркалу - компенсирующая пружина.

Недостатком известного микробарографа является связь отсчетного устройства и чувствительного элемента, а также других элементов посредством пружины, что снижает чувствительность датчика. Другим недостатком аналогичных барографов является невысокая температурная стабильность, которая также отрицательно влияет на точность измерения.

За прототип взят фотоэлектрический микробарограф [2], содержащий размещенный в корпусе анероидный чувствительный элемент, состоящий из двух бароблоков, соединенных с рамкой магнитоэлектрического преобразователя винтовыми цилиндрическими пружинами. На рамке закреплено зеркало. Блоки анероидных коробок закреплены на платах и снабжены регулировочными винтами. Микробарограф снабжен фотооптической системой, состоящей из осветительной лампы, конденсора с диафрагмой, зеркала, объектива, фотосопротивления и регистратора. Блок-схема прибора состоит из измерительного моста, усилителя и фазового детектора, питаемых постоянным или переменным напряжением.

Основным недостатком описанного микробарографа является сложность конструкции и, в частности, фотооптической системы, что снижает чувствительность. Другими недостатками, также отрицательно влияющими на чувствительность, являются отсутствие термокомпенсации и примитивный механизм коррекции нуля, который не может обеспечить широкий диапазон измеряемых давлений.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения за счет уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый микробарограф, содержащий корпус с основанием, размещенный в нем анероидный чувствительный элемент в виде мембранной коробки, связанной с механизмом коррекции нуля с регулировочным винтом, светоизлучатель, фотоэлектрический преобразователь с электрической измерительной схемой и регистратор, снабжен термокомпенсатором, выполненным в виде втулки, жестко соединенной с одной из поверхностей мембранной коробки, к другой поверхности которой жестко прикреплена введенная маска с прорезью, размещенная между светоизлучателем и фотоэлектрическим преобразователем, подвешенными на введенной стойке, закрепленной в корпусе.

Существенным в предлагаемом микробарографе является также то, что механизм коррекции нуля выполнен в виде дифференциальной винтовой пары, образуемой винтом, головка которого жестко связана со втулкой и регулировочным винтом, имеющим наружную и внутреннюю резьбы с различными шагами, причем регулировочный винт ввернут в гайку, запрессованную в основании, а головка винта жестко соединена с гайкой при помощи введенного сильфона. Термокомпенсация чувствительного элемента осуществляется за счет того, что стойка выполнена из материала, температурный коэффициент линейного расширения которого меньше температурного коэффициента линейного расширения материала втулки.

На фиг. 1 изображен предлагаемый микробарограф, продольный разрез; на фиг. 2 - электрическая схема прибора.

Микробарограф содержит чувствительный элемент, представленный анероидной коробкой 1, воспринимающей изменения атмосферного давления. К одной из поверхностей анероидной коробки 1 жестко прикреплена маска 2 с прямоугольной прорезью 3. Маска 2 размещена между светоизлучателем 4 и фотоэлектрическим преобразователем 5, выполненным в виде микросборки с дифференциально включенной парой фотодиодов 6. Фотоэлектрический преобразователь и светоизлучатель 4 жестко подвешены на стойке 7, которая жестко закреплена на основании 8 микробарографа. Стойка 7 и элементы подвески 9 выполнены из материала с малым температурным коэффициентом расширения, например из кварца. К другой поверхности анероидной коробки 1 посредством резьбового соединения прикреплена втулка 10 термокомпенсатора, выполненная из материала с большим коэффициентом температурного расширения, например из оргстекла. Таким образом, температурная компенсация анероидной коробки 1 осуществляется за счет разности коэффициентов температурного расширения материала стойки 7 и материала втулки 10 термокомпенсатора. Последняя связана с механизмом коррекции нуля посредством винта 11, вкрученного в регулировочный винт 12. Винт 12, имеющий наружную и внутреннюю резьбы с разными шагами, ввернут в гайку 13, запрессованную в основании 8 микробарографа, и выходит за пределы этого основания для удобства его вращения рукой. Головка винта 11 и гайка 13 жестко соединены между собой сильфоном 14, чем исключается проворот винта 11 при вращении регулировочного винта 12. Эта дифференциальная пара за счет разности шагов резьб позволяет винту 11 с прикрепленной к нему втулкой 10 термокомпенсатора, анероидной коробке 1, а следовательно, и маске 2 совершать достаточно маленькие поступательные перемещения при вращении регулировочного винта 12. К основанию 8 прикреплена плата 15, на которой размещена электрическая схема прибора, состоящая из блока питания 16 со стабилизаторами тока 17 и напряжения 18, усилителя 19 и разъема (не показан) для подключения внешнего регистратора 20. Чувствительность на выходе микробарографа задается резистором 21 обратной связи. Микробарограф закрыт корпусом, выполненным в виде стакана 22 с внутренней резьбой для соединения с основанием. Размещение схемы микробарографа на внутренней стороне основания 8 корпуса обеспечивает доступ к ней для визуальной проверки и ремонта.

Микробарограф работает следующим образом. Изменение атмосферного давления воспринимается анероидной коробкой 1. Маска 2 с прорезью 3, жестко закрепленная на анероидной коробке 1, перемещаясь, перераспределяет световой поток от светоизлучателя (светодиода) 4 на пару фотодиодов 6. Разностный ток от фотодиодов усиливается усилителем 19 и, преобразованный в напряжение постоянного тока, записывается регистратором 20. Чувствительность на выходе микробарографа задается резистором 21 обратной связи при настройке. Температурная погрешность регулируется материалом втулки 10, а также материалом стойки 7. Для расширения диапазона измерения от 10 до 1100 ГПа служит винтовая пара коррекции нуля. При вращении регулировочного винта 12 осуществляется механическое перемещение системы, состоящей из жестко соединенных между собой маски 2, анероидной коробки 1, втулки 10 термокомпенсатора и винта 11. Это позволяет компенсировать расширение или сжатие чувствительного элемента - анероидной коробки 1 от атмосферного давления (измерения в горах или ниже уровня океана).

Коррекцию нуля осуществляют в процессе конструирования прибора с учетом коэффициентов линейного расширения стойки 7 и втулки 10 термокомпенсатора, основных элементов термокомпенсатора. Для этого выбирают рабочий интервал температуры окружающей среды, например от -10 до 40^оС. Нагревая или ихлаждая прибор, подбирают длину втулки 10 термокомпенсатора, принимая минимальный температурный коэффициент равным 0-0,1%. При этом линейное расширение стойки 7 в принятом рабочем диапазоне температур пренебрежимо мало (так как она выполнена из кварца) по сравнению с минимальным расширением материала втулки 10 термокомпенсатора. При другом рабочем диапазоне температурный коэффициент стойки 7 учитывается посредством фотонной связи двух механических систем: жестко закрепленных на стойке 7 светоизлучателя 4 и фотоэлектрического преобразователя 5 и чувствительной, регулируемой механической системы - маски 2, анероидной коробки 1, втулки 10 термокомпенсатора и механизма коррекции нуля. На любом участке температурного диапазона механизм, термокомпенсацию остается тем же. Он обусловлен разностью линейных коэффициентов расширения кварца и оргстекла.

Использование микробарографа предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения атмосферного давления за счет уменьшения влияния температуры на чувствительную систему. Это уменьшение достигается простотой конструкции, а следовательно, надежной связью световой и чувствительной систем, а также простотой каждой из указанных систем. Закрепление маски 3 непосредственно на анероидной коробке 1 исключает колебательные звенья со своими собственными резонансными частотами. Быстродействие заявляемого микробарографа в основном определяется жесткостью анероидной коробки, которая может быть достаточно велика, что расширяет диапазон измеряемых давлений. О высоком техническом уровне предлагаемой конструкции говорят его технические характеристики. Так, нижний предел чувствительности, обусловленный шумами светодиода-осветителя, приемными фотодиодами и входными цепями усилителя, составляет 1 мкбар/мВ (для конкретной используемой коробки), а диапазон измерения регулируется от 1 до 1100 мбар. Существенное значение для повышения чувствительности микробарографа имеет жесткая связь механизмов термокомпенсации и коррекции нуля.

Использование: в геофизике и сейсмологии для регистрации атмосферного давления. Сущность изобретения: микробарограф содержит анероидный чувствительный элемент в виде мембранной коробки 1, светоизлучатель 4, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 5 с электрической измерительной схемой, регистратор 20, термокомпенсатор в виде втулки 10, жестко соединенной с одной из поверхностей мембранной коробки 1, к другой поверхности которой жестко прикреплена маска 2 с прорезью, размещенная между светоизлучателем 4 и ФЭП 5, подвешенными на стойке 7, механизм коррекции нуля в виде дифференциальной винтовой пары, образуемой винтом 11, головка которого жестко связана со втулкой 10, и регулировочным винтом 12 с наружной и внутренней резьбой с различными шагами. При этом винт 12 ввернут в гайку 13, запрессованную в основание 8, а головка винта жестко соединена с гайкой 13 при помощи сильфона 14. Стойка 7 выполнена из материала, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого меньше ТКЛР материала втулки 10. За счет жесткой связи чувствительного элемента со световой системой и системой термокомпенсации и коррекции нуля повышается точность регистрации атмосферного давления. 2 ил.

МИКРОБАРОГРАФ, содержащий корпус с основанием, размещенный в корпусе анероидный чувствительный элемент в виде мембранной коробки, связанной с механизмом коррекции нуля с регулировочным винтом, светоизлучатель, фотоэлектрический преобразователь с электрической измерительной схемой и регистратор, отличающийся тем, что он снабжен термокомпенсатором, выполненным в виде втулки, жестко соединенной с одной из поверхностей мембранной коробки, к другой поверхности которой жестко прикреплена введенная маска с прорезью, размещенная между светоизлучателем и фотоэлектрическим преобразователем, подвешенными на введенной стойке, закрепленной в корпусе, а механизм коррекции нуля выполнен в виде дифференциальной винтовой пары, образуемой винтом, головка которого жестко связана с втулкой, и регулировочным винтом, имеющим наружную и внутреннюю резьбы с различными шагами, причем регулировочный винт ввернут в гайку, запрессованную в основание, а головка винта жестко соединена с гайкой при помощи введенного сильфона, при этом стойка выполнена из материала, температурный коэффициент линейного расширения которого меньше температурного коэффициента линейного расширения материала втулки.