устройство для измерения звукового давления

Формула изобретения

Устройство для измерения звукового давления, содержащее датчик с емкостным чувствительным элементом, с обкладками конденсатора и экранами, усилитель заряда, состоящий из операционного усилителя и резистора и конденсатора обратной связи, источник поляризации, причем внешний экран соединен с местным заземлением, датчик через кабель соединен с усилителем заряда, отличающееся тем, что в него дополнительно введены по два резистора, два конденсатора, корпус для емкостного чувствительного элемента датчика, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда и отрицательным полюсом источника поляризации, нижняя обкладка через жилу кабеля и первый конденсатор соединена с отрицательным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, второй резистор соединен с жилой кабеля, первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем резистор и конденсатор обратной связи соединены между собой через первый конденсатор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной технике, машиностроении, энергетике и т.д. для измерения звукового давления.

Известно устройство для измерения звукового давления. Устройство содержит емкостной чувствительный элемент (ЕЧЭ) датчика звукового давления, усилитель заряда, разработанный на базе операционного усилителя (ОУ) (согласующий усилитель), антивибрационный (коаксиальный) кабель, дополнительный экран, внешний экран, усилитель напряжения, источник поляризации, переключатель, блоки памяти, деления, дифференцирования и индикатор.

Устройство защищено от влияния внешних электромагнитных и синфазных помех защитной цепью датчика (основным и боковым экранами), дополнительным защитным экраном и внешним экраном.

Определяют, что в неполяризованном состоянии без воздействия давления датчик испытывает силу величиной, прямо пропорциональной напряжению поляризации. При воздействии давления на датчик в поляризованном состоянии определяют выходное напряжение датчика из зависимости U_выхPE/FE₀, где Р - измеряемое давление, F - сила при неизменном напряжении постоянного тока, E₀ - модуль упругости материала мембраны при нормальной температуре, Е - модуль упругости в зависимости от текущей температуры окружающей среды.

Такое решение позволяет измерить звуковое давление на поверхности исследуемого объекта без дренирования изделия [Патент РФ №2029266, G 01 L 9/12, 1995, "Устройство для измерения давления", автор А.А.Казарян].

Недостатком выбранного устройства для измерения звукового давления является отсутствие возможности компенсации влияния кабеля на результаты измерения, из-за чего снижается чувствительность измерительной аппаратуры, особенно при высоких уровнях температуры до 300°С и других агрессивных средах. Низкая чувствительность датчика не позволяет измерение давления 40-60 дБ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство для измерения давления. Устройство содержит блок тонкопленочных матричных датчиков, источник поляризации, антивибрационный кабель, усилитель заряда (УЗ), дополнительный защитный экран и внешний экран. Защитная цепь датчика (боковой и основной экраны) соединена с дополнительным защитным экраном, где смонтирован УЗ, и он электрически изолирован от внешнего экрана с тем, чтобы гарантировать цельность экранирования между датчиком и УЗ. Внешний экран заземлен с общей шиной местного заземления.

Функционирование устройства обеспечивают путем соединения отрицательного полюса источника поляризации с дополнительным защитным экраном и положительным полюсом УЗ. Отрицательный полюс источника поляризации через экран антивибрационного кабеля соединен с верхней обкладкой ЕЧЭ.

Такое решение позволяет измерить давление на поверхности исследуемого объекта без его механической дополнительной обработки [Патент РФ №1806334, G 01 L 9/12, 1993, "Устройство для измерения давления", авторы: А.А.Казарян, Л.М.Москалик и И.Е.Фролова].

Недостаток устройства для измерения давления заключается в следующем: низкая чувствительность датчика не позволяет измерять звуковое давление уровней 40-60 дБ на больших расстояниях до 50 м и больше между датчиком и УЗ.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и надежности измерения измерительной аппаратуры для измерения низких уровней звукового давления на больших расстояниях путем дополнительного введения конденсаторов, резисторов и размещения ЕЧЭ датчика в корпусе.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения звукового давления, содержащее датчик с емкостным чувствительным элементом, с обкладками конденсатора и экранами, усилитель заряда, состоящий из операционного усилителя, резистора и конденсатора обратной связи, источник поляризации, причем внешний экран соединен с местным заземлением, датчик через кабель соединен с усилителем заряда, дополнительно введены по два резистора, два конденсатора, корпус для емкостного чувствительного элемента датчика, причем верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда и отрицательным полюсом источника поляризации, нижняя обкладка через жилу кабеля и первый конденсатор соединена с отрицательным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, второй резистор соединен с жилой кабеля, первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем резистор и конденсатор обратной связи соединены между собой через первый конденсатор.

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения звукового давления.

Устройство содержит датчик с емкостным чувствительным элементом (ЕЧЭ) 1, корпус 2. ЕЧЭ датчика содержит верхнюю обкладку (мембрану) 3, перфорированную диэлектрическую пленку 4 в виде кольца, боковой экран 5, нижнюю обкладку 6, изоляционную диэлектрическую пленку 7, основной экран 8, опорное отверстие 9, защитную сетку 10, УЗ 11, разработанный на базе ОУ, антивибрационный кабель 12 с внутренней жилой 13, источник поляризации 14, внешний экран для УЗ 15, резисторы R1, R2, R3 и конденсаторы С1, С2, С3.

Устройство предназначено для контроля и измерения звукового давления при эксплуатации в условиях повышенной и пониженной температур в диапазоне от -269 до +300°С, при наличии высоких уровней радиации, влажности и агрессивных химических средств (за исключением щелочных кислот). Выбранная конструкция датчика разработана на базе высокотемпературных диэлектриков и высококачественных сплавов, используемых в качестве мембраны ЕЧЭ датчика давления. Выбранный кабель марки АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной вибрацией и температурой. Нижняя обкладка датчика (мембрана) через жилу кабеля 13 и первого конденсатора С2 соединены с отрицательным полюсом УЗ (или отрицательным полюсом ОУ). Верхняя обкладка 3, боковой 5 и основной 8 экраны ЕЧЭ 1 соединены с экраном антивибрационного кабеля 12. Положительный полюс УЗ (или ОУ) является общей шиной устройства. Боковой 5, основной 8 экраны ЕЧЭ звукового давления, отрицательный полюс источника поляризации 14 через экран кабеля 12 соединены с общей шиной устройства (положительный полюс). Второй конденсатор С1, резисторы R1 и R2 соединены в одной точке в "звезду". Резисторы R1 и R2 между собой соединены последовательно и свободный конец R1 соединен с первым конденсатором С2 и жилой 13 кабеля. Другой конец резистора R2 соединен с положительным полюсом источника поляризации 14. Отрицательный полюс источника поляризации соединен с положительным полюсом УЗ.

Датчики с ЕЧЭ имеют высокое выходное сопротивление и при поляризации, в частности, напряжением постоянного тока на выходе имеют электрический сигнал мощностью ˜10^-13 -10^-15 Вт. Такой сигнал по кабелю через согласующую цепь, т.е. УЗ, можно передавать на большие расстояния (50 м и больше). Одним из возможных вариантов согласующих цепей является усилитель заряда. УЗ обеспечивает высокое входное сопротивление с закрытым входом. УЗ не чувствителен к наводкам и помехам, вызываемым колебаниями кабеля. УЗ сформирован путем схватывания ОУ глубокой отрицательной обратной связью через резистор R3, конденсатор С3. Коэффициент усиления УЗ равен единице (при необходимости можно увеличить до 20). На чертеже резистор R3 и конденсатор С3 обратной связи по величине равны собственному сопротивлению и емкости ЕЧЭ датчика звукового давления. Емкости датчиков составляют 5-170 пФ, их выходные сопротивления велики и равны ˜x _c 10⁷ Ом. Резистор R3 и конденсатор С3 на входе усилителя заряда соединены с отрицательным полюсом раздельно через первый конденсатор С2. Другие концы резистора R3 и конденсатора С3 соединены в одной точке на выходе ОУ. Таким образом сформированный УЗ захвачен глубокой отрицательной обратной связью резистором R3 и конденсатором С3. Причем резистор R3 и конденсатор С3 между собой соединены через первый конденсатор С2. Основной трудностью является защита датчика и УЗ от шумов и наводок. С этой цель устройство тщательно экранируется. Однако экранированный провод имеет емкость С_п.э. между жилой и экраном не менее 50 пФ/м в зависимость от марки кабеля. В этом случае при неправильном соединении экрана с датчиком емкость С_п.э. может оказаться включенной параллельно емкости ЕЧЭ датчика. При этом падает чувствительность датчика, так как относительное приращение емкости уменьшается на величину и увеличивается погрешность и нестабильность выходного сигнала, вызываемая нестабильностью емкости С_п.э.. Таким образом, изменение емкости С_п.э. вызывает изменение приращения рабочей емкости С₀, где С₀ - начальная емкость ЕЧЭ. В случае с применением УЗ замкнутая цепь позволяет располагать ЕЧЭ вдали от источника поляризации и измерительной аппаратуры. Напряжение поляризации подается через резисторы R1, R2 на нижнюю обкладку ЕЧЭ. Схема также позволяет использовать один кабель как для поляризации датчика, так и для съема полезного сигнала (преобразование звукового давления в электрический сигнал) через жилу 13 кабеля 12. В ЕЧЭ 1 связь с атмосферой осуществляют с помощью опорного отверстия 9. Первый конденсатор С2 предназначен для защиты УЗ от попадания высокого напряжения поляризации на вход усилителя заряда.

ЕЧЭ датчика звукового давления от влияния внешних электромагнитных воздействий защищен основным и боковым экранами. От внешних воздействий жила 13 кабеля 12 защищена экраном кабеля. Конец экрана кабеля соединен в точке В местного заземления. Введенные дополнительные элементы в устройстве позволяют располагать ЕЧЭ датчика вдали от источника поляризации и УЗ. Устройство также позволяет изолировать емкость ЕЧЭ датчика от емкости кабеля с помощью введения цепи резисторов R1, R2, второго конденсатора С1 и компенсировать емкость кабеля С _п.э.. Это позволяет увеличить расстояние между датчиком и УЗ (в частности, до 50 м). Длина кабеля между датчиком и УЗ ограничивается только проводимостью кабеля и частотными свойствами ЕЧЭ. Выбранные резисторы R1, R2 по величине одинаковы.

Чувствительность устройства с ЕЧЭ датчика звукового давления повышается за счет изоляции емкостей датчика и кабеля между собой, повышается помехоустойчивость (за счет введения экранов в конструкции ЕЧЭ). Надежность устройства повышается за счет защиты УЗ от попадания высокого напряжения поляризации на вход УЗ путем введения первого конденсатора С2 между ЕЧЭ и УЗ и измерения полезного сигнала и подачи напряжения поляризации ЕЧЭ датчика с одним кабелем.

Принцип работы устройства. При изменении давления Р (через защитную сетку 10) на поверхности мембраны 3 изменяется расстояние между мембраной 3 и обкладкой 6. В результате прогиба мембраны 3 изменяется начальная емкость ЕЧЭ С₀, приращение емкости С₀ и относительное приращение емкости С₀/С₀. Напряжение поляризации датчика подают на нижнюю обкладку 6 ЕЧЭ датчика через последовательно соединенные между собой сопротивления R1, R2. Напряжение на выходе УЗ измеряют между точками а и б, пропорциональное относительному приращению С₀/С₀ и напряжению поляризации на выходе источника поляризации 14.

С этой целью был изготовлен макет измерительного канала с ЕЧЭ звукового давления и проверен в условиях повышенной температуры до 300°С. Датчик и УЗ между собой соединены антивибрационным кабелем АВКТ-4 и АВКТ-6, расстояние между датчиком и усилителем заряда от 0,4 м до 50 м. Определено, что при использовании электрической цепи, состоящей из активных резисторов R1, R2 и второго конденсатора С1, отсутствует влияние кабеля на результаты измерения в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. С увеличением длины кабеля от 0,4 до 50 м помехи и шумы возрастают не более 3%. Условный коэффициент усиления аппаратуры 2000, и температура окружающей среды +25°С. С увеличением температуры датчика от +25°С до 300°С шум возрастает на 10 дБ. Не наблюдается существенное увеличение теплового шума на выходе измерительной аппаратуры до 100-120°С.

Звуковое давление практически можно измерять от 40-60 дБ (шепот и речь средней громкости на расстоянии от 0,3 до 1 м) до высоких уровней 140-170 дБ и выше (реактивные двигатели на расстоянии 2-3 м от выхлопа). Для измерения звукового давления в указанных диапазонах необходима разработка ЕЧЭ на два диапазона. Первый ЕЧЭ способен измерять от 40 до 140 дБ; второй - от 140 до 180 дБ.

ЕЧЭ был изготовлен из FeNi сплава толщиной 20 мкм. Внутренний диаметр перфорации полиимидной пленки толщиной 20 мкм между обкладками 16 мм. Экраны ЕЧЭ из меди. Уровень измеряемого звукового давления от 55 до 140 дБ. Число каналов измерительной аппаратуры от одного до нескольких десятков. Резисторы R1=R2=R3=750 МОм; конденсаторы С1=470 пФ; С2=1000 пФ; С3=100 пФ. Напряжение поляризации 100 В. УЗ выполнен на ОУ интегральной микросхемы 544УД1. Использованы схемы с отрицательной обратной связью по постоянному напряжению, что обеспечивает малый дрейф.

ЕЧЭ звукового давления электрически изолирован от корпуса датчика. ЕЧЭ может быть без корпуса и наклеен на поверхности изделия. В этом случае на одной подложке может быть расположено от одного до нескольких десятков ЕЧЭ.