Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды Российский патент 2022 года по МПК G01H11/00 G01H11/06 

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.

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, подключенным к емкостным датчикам, а также второй усилитель и первый фильтр, дополнительно содержит внутри корпуса трубчатый цилиндр, продольную перегородку, 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, предварительный усилитель, первый и второй датчики температуры и две прокладки, а блок электроники включает третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, первый блок вычитания, второй фильтр и второй блок вычитания, причем первый и второй датчики температуры подключены, соответственно, к третьему и четвертому усилителям, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу третьего усилителя, второй вход второго блока вычитания подключен к выходу демодулятора, вход первого усилителя подключен через предварительный усилитель к емкостным датчикам, первый фильтр подключен входом к выходу демодулятора, а выходом подключен ко входу второго усилителя, выход второго усилителя подключен к магнитоэлектрическому преобразователю, выход второго блока вычитания подключен к выходу устройства, предварительный усилитель размещен на первом дисковом дросселе, блок электроники размещен на первом основании, продольная перегородка связана с первым и вторым дисковыми дросселями, установлена по диаметру трубчатого цилиндра с 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 продольной перегородкой, 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 датчики температуры размещены, соответственно, на первом и втором основаниях посредством прокладок, выполненных из теплоизолирующего материала, первый и второй дисковые дроссели размещены посредством опорных колец на первом и втором основаниях внутри трубчатого цилиндра, первый дисковый дроссель выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой и размещенными у противоположных концов продольной перегородки, второй дисковый дроссель выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов продольной перегородки и отделенными продольной перегородкой от входных отверстий первого дискового дросселя, кронштейн размещен на первом основании и выполнен с круглым отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра, регулировочный винт установлен в отверстии кронштейна, контргайка установлена на регулировочном винте, первое и второе основания выполнены с круглыми отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований, ограниченной торцами трубчатого цилиндра, нить размещена в отверстиях в центрах первого и второго дисковых дросселей и в отверстиях в центрах первого и второго оснований, одним концом связана с регулировочным винтом, а другим концом связана с натяжной втулкой, размещенной в круглом отверстии в центре второго основания, чувствительный элемент размещен в продольной прорези в центре продольной перегородки, связан с нитью и выполнен в виде пластинки 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 показана продольная перегородка 11 и повернут чувствительный элемент 3.

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 - первый фильтр, 10 - трубчатый цилиндр, 11 - продольная перегородка, 12 - первое основание, 13 - второе основание, 14 - первый дисковый дроссель, 15 – второй дисковый дроссель, 16 - опорные кольца, 17 - нить, 18 - натяжная втулка, 19 - кронштейн, 20 – регулировочный винт, 21 – контргайка, 22 – пылезащитные фильтры, 23 – крышки, 24 – магнитоэлектрический преобразователь, 25 – предварительный усилитель, 26 – первый датчик температуры, 27 – второй датчик температуры, 28 – прокладки, 29 – третий усилитель, 30 – четвертый усилитель, 31 - первый блок вычитания, 32 – второй фильтр, 33 – второй блок вычитания.

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, подключенным к емкостным датчикам 2, а также второй усилитель 8 и первый фильтр 9, дополнительно содержит внутри корпуса 1 трубчатый цилиндр 10, продольную перегородку 11, первое основание 12, второе основание 13, первый дисковый дроссель 14, второй дисковый дроссель 15, два опорных кольца 16, нить 17, натяжную втулку 18, кронштейн 19, регулировочный винт 20, контргайку 21, два пылезащитных фильтра 22, две крышки 23, магнитоэлектрический преобразователь 24 и предварительный усилитель 25, первый датчик 26 температуры, второй датчик 27 температуры, две прокладки 28, а блок 4 электроники включает третий усилитель 29, последовательно соединенные четвертый усилитель 30, первый блок вычитания 31, второй фильтр 32 и второй блок вычитания 33, причем первый и второй датчики температуры 26, 27 подключены, соответственно, к третьему и четвертому усилителям 29, 30, второй вход первого блока вычитания 31 подключен к выходу третьего усилителя 29, второй вход второго блока вычитания 33 подключен к выходу демодулятора 6, вход первого усилителя 5 подключен через предварительный усилитель 25 к емкостным датчикам 2, первый фильтр 9 подключен входом к выходу демодулятора 6, а выходом первый фильтр 9 подключен ко входу второго усилителя 8, выход второго усилителя 8 подключен к магнитоэлектрическому преобразователю 24, выход второго блока вычитания 33 подключен к выходу устройства, предварительный усилитель 25 размещен на первом дисковом дросселе 14, блок электроники 4 размещен на первом основании 12, продольная перегородка 11 связана с первым и вторым дисковыми дросселями 14, 15, установлена по диаметру трубчатого цилиндра 10 с 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 14, 15 и разделены продольной перегородкой 11, магнитоэлектрический преобразователь 24 связан с первым и вторым дисковыми дросселями 14, 15 и установлен с зазором параллельно чувствительному элементу 3, первое и второе основания 12, 13 размещены внутри корпуса 1 на торцах трубчатого цилиндра 10, первый и второй датчики температуры 26, 27 размещены, соответственно, на первом и втором основаниях 12, 13 посредством прокладок 28, выполненных из теплоизолирующего материала, первый и второй дисковые дроссели 14, 15 размещены посредством опорных колец 16 на первом и втором основаниях 12, 13 внутри трубчатого цилиндра 10, первый дисковый дроссель 14 выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями произвольной формы, разделенными продольной перегородкой 11 и размещенными у противоположных концов продольной перегородки 11, второй дисковый дроссель 15 выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями произвольной формы, разделенными продольной перегородкой 11, размещенными у противоположных концов продольной перегородки 11 и отделенными продольной перегородкой 11 от входных отверстий первого дискового дросселя 14, кронштейн 19 размещен на первом основании 12 и выполнен с круглым отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра 10, регулировочный винт 20 установлен в отверстии кронштейна 19, контргайка 21 установлена на регулировочном винте 20, первое и второе основания 12, 13 выполнены с круглыми отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований 12, 13, ограниченной торцами трубчатого цилиндра 10, нить 17 размещена в отверстиях в центрах первого и второго дисковых дросселей 14, 15 и в отверстиях в центрах первого и второго оснований 12, 13, одним концом связана с регулировочным винтом 20, а другим концом связана с натяжной втулкой 18, размещенной в круглом отверстии в центре второго основания 13, чувствительный элемент 3 размещен в продольной прорези в центре продольной перегородки 11, связан с нитью 17 и выполнен в виде пластинки с возможностью вращения вокруг продольной оси, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 10, пылезащитные фильтры 22 и крышки 23 размещены на торцах корпуса 1, крышки 23 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 продольной перегородкой 11, с продольной осью, совмещенной с осью трубчатого цилиндра 10, которая делит трубчатый цилиндр 10 на два отсека. Чувствительный элемент 3, размещенный в продольной прорези в центре продольной перегородки 11, связанный с нитью 17 и выполненный в виде пластинки 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 поступают в отсеки через отверстия произвольной формы в крышках 23, затем через пылезащитные фильтры 22, через круглые отверстия в первом и втором основаниях 12, 13 и через отверстия произвольной формы в первом и втором дисковых дросселях 14, 15, закрепленных на первом и втором основаниях 12, 13 посредством двух опорных колец 16. 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 14, 15 и разделенных продольной перегородкой 11. 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 предварительный усилитель 25, первый усилитель 5, демодулятор 6, первый фильтр 9, второй усилитель 8 и магнитоэлектрический преобразователь 24. С выхода демодулятора 6 сигнал поступает к пользователям для дальнейшей обработки. Для обеспечения свободного поворота чувствительного элемента 3 к нему прикреплена нить 17, которая закреплена одним концом в натяжной втулке 18, установленной на втором основании 13, а другим концом закреплена в регулировочном винте 20, установленном в отверстии кронштейна 19. Возврат чувствительного элемента 3 в нейтральное положение осуществляется с помощью усилия закручивания нити 17 и с помощью магнитоэлектрического преобразователя 24, связанного с первым и вторым дисковыми дросселями 14, 15, и реализующего отрицательную обратную связь. С помощью отверстий произвольной формы в первом и втором дисковых дросселях 14, 15, первом и втором основаниях 12, 13 и крышках 23 ограничивается доступ среды к чувствительному элементу 3 и амплитуда его перемещений для формирования требуемой амплитудно – частотной характеристики. При настройке устройства, с помощью натяжной втулки 18 и регулировочного винта 20, вращением нити 17 вокруг оси устанавливают требуемое положение и усилие возврата чувствительного элемента 3 в нейтральное положение и устанавливают требуемое натяжение нити 17 с помощью контргайки 21. Для снижения уровня тепловых шумов на первом и втором основаниях 12, 13 установлены, соответственно, первый и второй датчики 26, 27 температуры через теплоизолирующие прокладки 28. Сигналы первого и второго датчиков 26, 27 температуры поступают, соответственно, на входы третьего и четвертого усилителей 29, 30, выходные сигналы которых поступают на входы первого блока 31 вычитания. На выходе первого блока 31 вычитания формируется сигнал, пропорциональный разности абсолютных температур среды с двух сторон чувствительного элемента 3 с заданными весовыми коэффициентами, который через второй фильтр 32, выделяющий требуемую область частот, поступает на второй блок 33 вычитания, на другой вход которого поступает выходной сигнал демодулятора 6. Таким образом, из выходного сигнала демодулятора 6 вычитается с заданным весовым коэффициентом сигнал, пропорциональный разности абсолютных температур среды по обе стороны чувствительного элемента 3 и результирующий сигнал поступает к пользователям для дальнейшей обработки. Нить 17 может быть выполнена из пластмассы или металла в виде тонкой струны. Для снижения уровня тепловых шумов устройство также 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.

Изобретение относится к области измерения инфразвуковых колебаний газообразной или жидкой среды. Устройство для измерения инфразвуковых колебаний среды содержит корпус, емкостные датчики перемещения чувствительного элемента, связанного с окружающей средой и средой внутри корпуса, блок электроники, включающий первый усилитель, демодулятор, генератор, емкостные датчики, второй усилитель и первый фильтр. Корпус внутри содержит трубчатый цилиндр, продольную перегородку, 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, предварительный усилитель, первый и второй датчики температуры и две прокладки. Блок электроники включает третий усилитель, четвертый усилитель, первый блок вычитания, второй фильтр и второй блок вычитания. Достигается повышение точности измерения инфразвуковых колебаний среды. 3 ил.

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, подключенным к емкостным датчикам, а также второй усилитель и первый фильтр, отличающееся тем, что дополнительно содержит внутри корпуса трубчатый цилиндр, продольную перегородку, 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, предварительный усилитель, первый и второй датчики температуры и две прокладки, а блок электроники включает третий усилитель, последовательно соединенные четвертый усилитель, первый блок вычитания, второй фильтр и второй блок вычитания, причем первый и второй датчики температуры подключены, соответственно, к третьему и четвертому усилителям, второй вход первого блока вычитания подключен к выходу третьего усилителя, второй вход второго блока вычитания подключен к выходу демодулятора, вход первого усилителя подключен через предварительный усилитель к емкостным датчикам, первый фильтр подключен входом к выходу демодулятора, а выходом подключен к входу второго усилителя, выход второго усилителя подключен к магнитоэлектрическому преобразователю, выход второго блока вычитания подключен к выходу устройства, предварительный усилитель размещен на первом дисковом дросселе, блок электроники размещен на первом основании, продольная перегородка связана с первым и вторым дисковыми дросселями, установлена по диаметру трубчатого цилиндра с 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 продольной перегородкой, 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 датчики температуры размещены, соответственно, на первом и втором основаниях посредством прокладок, выполненных из теплоизолирующего материала, первый и второй дисковые дроссели размещены посредством опорных колец на первом и втором основаниях внутри трубчатого цилиндра, первый дисковый дроссель выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой и размещенными у противоположных концов продольной перегородки, второй дисковый дроссель выполнен с круглым отверстием в центре и двумя входными отверстиями, разделенными продольной перегородкой, размещенными у противоположных концов продольной перегородки и отделенными продольной перегородкой от входных отверстий первого дискового дросселя, кронштейн размещен на первом основании и выполнен с круглым отверстием вдоль оси трубчатого цилиндра, регулировочный винт установлен в отверстии кронштейна, контргайка установлена на регулировочном винте, первое и второе основания выполнены с круглыми отверстиями в центре и внутри части первого и второго оснований, ограниченной торцами трубчатого цилиндра, нить размещена в отверстиях в центрах первого и второго дисковых дросселей и в отверстиях в центрах первого и второго оснований, одним концом связана с регулировочным винтом, а другим концом связана с натяжной втулкой, размещенной в круглом отверстии в центре второго основания, чувствительный элемент размещен в продольной прорези в центре продольной перегородки, связан с нитью и выполнен в виде пластинки 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.