Емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра Российский патент 2024 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для создания высокоточных относительных гравиметров, применяемых проведения гравиметрических съемок, измерения вариаций ускорения свободного падения со временем, построения гравиметрических карт, подготовки строительных площадок и для решения других гравиметрических задач.

Аналогом предлагаемого изобретения является емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента, основанная на использовании дифференциального емкостного преобразователя на основе трехпластинчатого конденсатора и используемая в гравиметре CG5 фирмы «Scintrex» [1]. Схема фазовой системы съема информации на основе трехпластинчатого конденсатора представлена на фиг. 1.

Аналог работает следующим образом. Трехпластинчатый конденсатор А1 содержит три пластины: неподвижные (верхнюю и нижнюю), а также подвижную среднюю пластину, соединенную с рабочей пружиной А2. С источника гармонического (синусоидального) сигнала A3 на неподвижные пластины подаются два опорных гармонических сигнала: один сигнал - на верхнюю пластину, а противофазный сигнал - на нижнюю пластину. В стационарном состоянии (вне режима измерений) средняя пластина находится ровно посередине между неподвижными пластинами. Поэтому сигнал, наведенный на ней верхней и нижней пластинами, равен нулю. В режиме измерений положение средней пластины под воздействием изменения ускорения свободного падения (УСП) изменяется. В частности, при увеличении УСП средняя пластина под воздействием пружины А2 становится ближе к нижней неподвижной пластине и на ней наводится высокочастотное синусоидальное напряжение, синфазное с напряжением на нижнем выходе источника сигнала A3. Напряжение с подвижной пластины и напряжение опорного сигнала с нижнего выхода A3 подаются на два входа фазового детектора А4. Выходное напряжение фазового детектора А4 подается на фильтр нижних частот А5, откуда отфильтрованное постоянное напряжение, величина которого пропорциональна изменению УСП, подается на исполнительный орган А6. В качестве исполнительного органа может использоваться либо индикатор напряжения, либо регулятор положения средней пластины конденсатора.

Недостатком аналога является ограниченная чувствительность при измерении положения подвижной пластины конденсатора, что ведет к ограниченной чувствительности гравиметра.

Наиболее близким устройством по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра, основанная на использовании дифференциального емкостного преобразователя на основе трехпластинчатого конденсатора. Эта система используется в гравиметре La Coste Romberg [2, 3]. Чертеж схемы высокочастотной фазовой системы съема информации на основе трехпластинчатого конденсатора представлен на фиг. 2. Здесь приняты следующие обозначения элементов схемы:

П1 - трехпластинчатый электрический конденсатор с двумя неподвижными пластинами и одной средней подвижной пластиной;

П2 - рабочая металлическая пружина гравиметра, соединенная со средней пластиной конденсатора П1;

П3 - генератор высокочастотного синусоидального сигнала;

П4 - трансформатор, создающий на выходах вторичной обмотки два противофазных синусоидальных напряжения;

П5 - фазовый детектор с двумя входами и одним электрическим выходом;

П6 - фильтр низких частот (интегратор);

П7 - измеритель напряжения или исполнительное устройство.

Генератор высокочастотного синусоидального сигнала П3 подключен к первичной обмотке трансформатора П4. Вторичная обмотка трансформатора разделена на две равные части, при этом намотка выполнена так, что напряжения на выходах верхней и нижней обмоток противофазны, точка соединения обеих обмоток заземлена. Трехпластинчатый конденсатор П1 содержит три пластины: две неподвижные (верхнюю и нижнюю), а также подвижную среднюю пластину, механически соединенную с рабочей пружиной гравиметра П2. Электрический выход верхней вторичной обмотки трансформатора П4 подключен к верхней пластине конденсатора П1 и к входу 1 фазового детектора П5. Выход нижней обмотки трансформатора подключен к нижней пластине конденсатора П1. Средняя пластина конденсатора П1 подключена к входу 2 фазового детектора П5, а его выход через фильтр низких частот (интегратор) П6 подключен к индикатору выходного напряжения или исполнительному устройству П7.

Прототип работает следующим образом. На неподвижные пластины конденсатора П1 с источника гармонического сигнала П3 с помощью трансформатора напряжения П4 подаются два противофазных опорных гармонических сигнала. Первый опорный синусоидальный сигнал подается с верхнего конца вторичной обмотки трансформатора П4 на верхнюю пластину конденсатора. Второй опорный сигнал, снимаемый с нижнего конца вторичной обмотки трансформатора П4, сдвинут по фазе относительно первого опорного сигнала на 180° и подается на нижнюю пластину конденсатора. В стационарном состоянии в точке калибровки гравиметра средняя пластина находится ровно посередине между неподвижными пластинами. Поэтому суммарный сигнал, наведенный на ней одновременно напряжениями верхней и нижней пластин, равен нулю. В режиме измерений положение средней пластины под воздействием изменения ускорения свободного падения (УСП) изменяется. Например, при уменьшении УСП в другой пространственной измерительной точке средняя пластина под воздействием пружины П2 становится ближе к верхней неподвижной пластине и на ней наводится высокочастотное напряжение, синфазное с напряжением на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора П4. Напряжение с подвижной пластины и напряжение с верхнего конца вторичной обмотки трансформатора подаются на два входа фазового детектора П5. Выходное напряжение фазового детектора П5 подается на фильтр нижних частот П6, откуда отфильтрованное постоянное напряжение, величина которого пропорциональна изменению УСП, подается на исполнительный орган П7. В качестве исполнительного органа может использоваться либо измеритель напряжения, либо регулятор положения средней пластины конденсатора.

Оценим величину напряжения на входе измерителя напряжения П7. Для этого определим два напряжения на двух входах фазового детектора П5: во-первых - опорное напряжение, снимаемое с выхода верхней обмотки трансформатора U₀ и во-вторых - рабочее напряжение, снимаемое со средней пластины конденсатора U₁. Эти напряжения синфазны, имеют синусоидальную форму и выражаются в виде:

где U₀,U₁₀ - амплитуды синусоидальных колебаний. Выходное напряжение фазового детектора П5 прототипа определяется произведением двух напряжений на его входах, т.е.:

Это произведение напряжений включает две составляющих: постоянную и переменную с удвоенной частотой, которая отфильтровывается после фильтра низкой частоты П6. В результате для прототипа на выходе фильтра низкой частоты П6 и, соответственно, на входе измерителя напряжений П7 на выходной нагрузке мы имеем только постоянную составляющую выходного напряжения. Для простоты рассуждений условимся, что амплитуды перемножаемых напряжений равны, т.е. U₀=U₁₀. Тогда постоянная составляющая выходного напряжения фильтра низкой частоты определится в виде:

Это напряжение несет информацию об отклонении средней пластины конденсатора от среднего положения Δх.

Определим зависимость пространственного отклонения средней пластины конденсатора Δх от изменения напряжения на конденсаторе. Как известно, емкость плоского конденсатора С в системе SI определяется по формуле [4]:

где ε₀, ε - соответственно, диэлектрическая проницаемость вакуума и среды, заполняющей конденсатор; S, X - соответственно, площадь пластин конденсатора и расстояние между ними. Отсюда путем дифференцирования находим зависимость изменений емкости от расстояния между стационарной и подвижной пластинами:

С другой стороны, известна зависимость емкости плоского конденсатора от величины заряда q на его пластинах и постоянного электрического напряжения U⁼ между пластинами [4]:

откуда следует:

Из формул (5) и (7) находим формулу чувствительности системы съема, определяющую минимальное измеряемое перемещение средней пластины конденсатора Δx_min:

где - минимальное регистрируемое изменение напряжения на измерителе напряжения П7.

Используя выражение (3) для величины U⁼, чувствительность прототипа определим в виде:

Таким образом, регистрируемая величина тем меньше, а чувствительность системы тем выше, чем выше рабочее напряжение между пластинами и чем меньше расстояние между ними. Согласно [1, стр. 195], электронные емкостные схемы регистрации современных гравиметров при использовании синусоидальных напряжений ограничены пределом чувствительности к смещению средней пластины трехпластинчатого конденсатора около Δx_min≈0,1 нм.

Недостатком прототипа является ограниченная чувствительность при использовании синусоидальных напряжений в системе емкостного съема информации.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности системы емкостного съема информации.

Технический результат достигается использованием в трехпластинчатом конденсаторе периодического несинусоидального рабочего напряжения в форме меандра.

Предлагаемая емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра, основанная на использовании дифференциального емкостного преобразователя на основе трехпластинчатого конденсатора, поясняется чертежом на фиг. 3, где обозначено:

1 - трехпластинчатый конденсатор, включающий верхнюю и нижнюю неподвижные пластины, а также среднюю подвижную пластину;

2 - механическая ось поворота средней пластины конденсатора;

3 - рабочая пружина гравиметра;

4 - генератор несинусоидального периодического опорного напряжения (меандра и др.);

5 - инвертор фазы опорного несинусоидального напряжения (меандра и др.);

6 - фазовый детектор;

7 - фильтр низких частот;

8 - измеритель напряжения;

9 - исполнительное устройство.

Трехпластинчатый конденсатор 1 содержит три пластины: две неподвижные (верхнюю и нижнюю), а также подвижную среднюю пластину, закрепленную на механической оси 2 и механически соединенную с рабочей пружиной гравиметра 3. Выход генератора несинусоидального периодического опорного напряжения (меандра и др.) подключен к входу инвертора фазы опорного несинусоидального напряжения 5, к верхней стационарной пластине конденсатора 1, а также к первому входу фазового детектора 6. Выход инвертора фазы опорного несинусоидального напряжения подключен ко второй (нижней) стационарной пластине конденсатора 1. Средняя подвижная пластина конденсатора 1 электрически подключена ко второму входу фазового детектора, выход которого через фильтр низких частот 7 подключен к измерителю напряжения 8 и к исполнительному устройству 9. В качестве исполнительного устройства может использоваться устройство, с помощью которого средняя подвижная пластина конденсатора в процессе измерений возвращается в исходное состояние посередине между неподвижными пластинами. Оно может быть реализовано на механическом или электрическом принципе действия.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На верхнюю неподвижную пластину трехпластинчатого конденсатора 1 от генератора несинусоидального периодического опорного напряжения 4 подается опорное высокочастотное несинусоидальное напряжение типа меандр. Второй периодический несинусоидальный опорный сигнал типа меандр, снимаемый с выхода инвертора фазы 5, сдвинут по фазе относительно первого опорного сигнала на 180°, он подается на нижнюю пластину конденсатора. В исходном состоянии в точке калибровки гравиметра средняя пластина находится ровно посередине между неподвижными пластинами. Поэтому суммарный сигнал, наведенный на ней одновременно напряжениями верхней и нижней пластин, равен нулю. В режиме измерений положение средней пластины под воздействием изменения ускорения свободного падения (УСП) изменяется. Например, при уменьшении УСП в другой пространственной измерительной точке средняя пластина конденсатора под воздействием пружины 3 поворачивается вокруг оси 2 и становится ближе к верхней неподвижной пластине конденсатора. При этом на ней наводится высокочастотное напряжение, синфазное с напряжением генератора несинусоидального периодического опорного напряжения 4. Напряжение с подвижной пластины и напряжение с верхней неподвижной пластины конденсатора 1 подаются на два входа фазового детектора 6, где выполняется операция перемножения этих напряжений. Выходное напряжение фазового детектора 6 подается на фильтр нижних частот 7, откуда отфильтрованное постоянное напряжение, величина которого пропорциональна изменению УСП, подается на измеритель напряжения 8 и на исполнительное устройство 9, которое возвращает подвижную пластину в исходное состояние посередине между неподвижными пластинами.

Оценим величину напряжения на входе измерителя напряжения 8 и исполнительного устройства 9. Для этого определим два напряжения в форме меандра с круговой частотой ω на двух входах фазового детектора П5: во-первых - опорное напряжение , снимаемое с выхода генератора меандра 4 (индекс М здесь и далее обозначает «меандр»), а во-вторых - рабочее напряжение в форме меандра, снимаемое со средней пластины конденсатора. Эти напряжения синфазны, имеют форму меандра и выражаются, как известно, в виде спектров, содержащих только нечетные гармоники:

Выходное напряжение фазового детектора 6 предлагаемого устройства определяется произведением двух напряжений на его входах, т.е.:

Это произведение вычислим на основе формул (10) и (11). При этом учтем, что в этом произведении появятся члены с комбинационными частотами вида

,

которые будут затем отфильтрованы фильтром низких частот 7. Кроме того, в составе произведения появятся члены вида , в которых составляющие с частотами 2nωt также будут отфильтрованы. На основе этих замечаний квадрат постоянной составляющей правой части формулы (12) будет иметь вид:

Полагая, как и прежде, , и извлекая квадратный корень, получаем выражение для постоянной составляющей напряжения на выходе фазового детектора, аналогичное выражению (3) для синусоидального напряжения в прототипе:

Отсюда из формулы чувствительности системы съема (8) определяем минимальное измеряемое перемещение средней пластины конденсатора на основе сигнала типа меандр :

На основе соотношений (9) и (15) находим выигрыш в чувствительности предлагаемого устройства, обусловленный использованием сигнала типа меандр. При условии идентичности конструкции конденсатора в прототипе и в предлагаемом устройстве, т.е. при х_м=х_прот, одинаковой чувствительности измерителей напряжения , а также при =U₀ получаем:

Это означает, что минимальное перемещение, фиксируемое схемой съема с использованием опорного напряжения типа меандр, в 1,4 раза меньше, чем в такой же схеме, но на синусоидальном сигнале.

Таким образом, чувствительность предлагаемого устройства при равных условиях оценки в 1,4 раза выше, чем у прототипа. По-иному, если в известных устройствах минимальное фиксируемое смещение составляет 0,1 нм [1, стр. 195], то в предлагаемом устройстве оно снижено до 0,07 нм. При этом во столько же раз уменьшается минимально фиксируемое изменение ускорение свободного падения (УСП): согласно [1, стр. 195] известные электронные емкостные схемы съема обеспечивают чувствительность к изменению УСП в 1 мкГал. В предлагаемом устройстве эта величина снижается в 1,4 раза и составляет 0,7 мкГал.

Частота опорного сигнала типа меандр в предлагаемом устройстве составляет десятки килогерц.

В случае использования опорного и рабочего напряжений в форме меандра фазовый детектор может быть реализован также как балансный модулятор [5]. В этом случае операция перемножения высокочастотных сигналов сводится к синхронному изменению знака рабочего сигнала и последующей его низкочастотной фильтрации. Такая операция легко реализуется с помощью различных электронных цифровых переключателей, например, диодных, транзисторных, а также на специальных интегральных схемах. Эффективность применения такого типа фазового детектора определяется только спектром сигнала типа меандр, а поэтому оценивается формулами, приведенными выше.

Используемые источники

1. Юзефович А.П. Поле силы тяжести и его изучение: учебное пособие. - М: Изд-во МИИГАиК, 2014. - 194 с, ил.

2. Торге В, Гравиметрия Пер. с англ. - М., Мир, 1999, стр. 193, рис 6.14.

3. Гравиметр LaCoste & Romberg. Инструкция по эксплуатации, модель гравиметра G&D, стр. 4.17.

4. Алексеев В.В., Маклаков Л.И. Курс общей физики, учебное пособие, том 1, раздел 29, Конденсаторы. Казань, 2013.

5. Степанов А.В. Синхронный детектор. Изд. МГУ, Москва, 2022, 14 с.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для создания высокоточных относительных гравиметров, применяемых для проведения гравиметрических съемок, измерения вариаций ускорения свободного падения со временем, построения гравиметрических карт, подготовки строительных площадок и для решения других гравиметрических задач. Предложена емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра, включающая трехпластинчатый плоский электрический конденсатор с подвижной средней пластиной, подключенной к одному из входов фазового детектора, выход которого через фильтр низкой частоты подключен к измерителю напряжения. В качестве источника опорного напряжения в его состав введены генератор периодического напряжения типа меандр и последовательно соединенный с ним фазовый инвертор. Причем выход генератора напряжения типа меандр подключен к одной из неподвижных пластин конденсатора и ко второму входу фазового детектора, а выход фазового инвертора подключен ко второй неподвижной пластине конденсатора. Технический результат - повышение чувствительности системы емкостного съема информации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра, включающая трехпластинчатый плоский электрический конденсатор с подвижной средней пластиной, подключенной к одному из входов фазового детектора, выход которого через фильтр низкой частоты подключен к измерителю напряжения, отличающаяся тем, что в качестве источника опорного напряжения в его состав введены генератор периодического напряжения типа меандр и последовательно соединенный с ним фазовый инвертор, причем выход генератора напряжения типа меандр подключен к одной из неподвижных пластин конденсатора и ко второму входу фазового детектора, а выход фазового инвертора подключен ко второй неподвижной пластине конденсатора.

2. Емкостная высокочастотная фазовая система съема информации с чувствительного элемента гравиметра по п.1, отличающаяся тем, что в качестве фазового детектора используется синхронный детектор - балансный модулятор, в котором операция перемножения рабочего и опорного сигналов выполняется с помощью электронных цифровых переключателей.