RU2152044C1 - Transducer of mechanical oscillation parameters - Google Patents

Abstract

FIELD: seismology; control of aerocosmic and marine objects. SUBSTANCE: transducer is used for detecting recording and checking of small mechanical oscillations of infralow-frequency and low-frequency ranges, when checking the state of large-sized constructions (dams, mines, bridges, buildings). Transducer has diffusion and magnetohydrodynamic transducers built in body containing electrolyte. It also includes current-to-voltage differential converter, correction device, optron and amplifier connected in series with diffusion transducer and with one another, as well as series-connected differentiator and voltage-to-current converter. Its output is connected to input of magnetohydrodynamic transducer, and amplifier output which serves as transducer output is connected either to differentiator input or input of voltage-to-current converter. EFFECT: extended frequency range. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения скорости или ускорения, предназначенным для обнаружения, регистрации и контроля малых механических колебаний инфранизкочастотного и низкочастотного диапазона, например, в сейсмологии, в управлении аэрокосмическими и морскими объектами, при контроле состояния крупноразмерных сооружений (плотин, шахт, мостов, зданий), в охранной сигнализации. The invention relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring speed or acceleration, designed to detect, register and control small mechanical vibrations of the infra-low-frequency and low-frequency ranges, for example, in seismology, in the control of aerospace and marine objects, when monitoring the status of large-sized structures (dams, mines, bridges, buildings), in the security alarm system.

Известны диффузионные датчики параметров механических колебаний, чувствительным элементом которых является диффузионный преобразователь, представляющий собой расположенные в диэлектрическом корпусе узкий рабочий канал с электродами и электролитом, создающими обратимую окислительно-восстановительную электрохимическую систему. (Введение в молекулярную электронику. Ред. Е. С. Лидоренко. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.235-274). В заполненном электролитом корпусе, имеющем вид замкнутой трубки или трубки с упругими элементами на торцах, воздействующее на датчик ускорение создает перепад давления на краях диффузионного преобразователя, вызывающий движение электролита в рабочем канале, которое преобразуется во взаимно противоположные изменения катодных токов. (М.Л. Фиш, Ю.В.Лаптев. Диффузионные преобразователи неэлектрических величин. Киев: Техника, 1979, с.56-61). В состав датчика входит также электронное устройство, обычно содержащее преобразователь разности катодных токов в напряжение, а также цепи частотной и температурной коррекции. Known diffusion sensors of the parameters of mechanical vibrations, the sensitive element of which is a diffusion transducer, which is a narrow working channel located in the dielectric housing with electrodes and electrolyte that create a reversible redox electrochemical system. (Introduction to molecular electronics. Ed. E.S. Lidorenko. M: Energoatomizdat, 1984, p. 235-274). In the case filled with an electrolyte, having the form of a closed tube or tube with elastic elements at the ends, the acceleration acting on the sensor creates a pressure differential at the edges of the diffusion transducer, causing the electrolyte to move in the working channel, which will be converted into mutually opposite changes in the cathode currents. (ML Fish, Yu.V. Laptev. Diffusion converters of non-electric quantities. Kiev: Technique, 1979, p. 56-61). The sensor also includes an electronic device, usually containing a cathode current to voltage difference converter, as well as frequency and temperature correction circuits.

Достоинствами диффузионных датчиков являются высокая чувствительность при небольших габаритах и весе, простота конструкции, малое потребление энергии, отсутствие подвижных деталей, обеспечивающее высокую надежность, ударную и вибрационную прочность. The advantages of diffusion sensors are high sensitivity with small dimensions and weight, simplicity of design, low energy consumption, lack of moving parts, providing high reliability, impact and vibration strength.

Недостатком диффузионных датчиков является существенная зависимость коэффициента передача от температуры T (порядка 2,5% на градус) и частоты ω, в результате чего датчик имеет весьма ограниченный диапазон рабочих частот, лимитируемый сверху инерционностью диффузионного преобразователя. Значительная неравномерность частотных характеристик диффузионных датчиков приводит к существенным искажениям сигнала на выходе и даже может создавать затруднения в качественной интерпретации получаемой информации, поскольку из-за больших фазовых сдвигов отклика (от 0 до π/2 более по отношению к воздействующему ускорению) диффузионный датчик фактически является измерителем ускорения лишь в области низших частот, а в более высокочастотной области становится измерителем скорости (при фазовых сдвигах ближе к π/2 ). The disadvantage of diffusion sensors is the significant dependence of the transmission coefficient on temperature T (about 2.5% per degree) and frequency ω, as a result of which the sensor has a very limited range of operating frequencies, limited from above by the inertia of the diffusion converter. Significant non-uniformity of the frequency characteristics of diffusion sensors leads to significant distortions of the output signal and can even create difficulties in the qualitative interpretation of the information received, since due to large phase shifts of the response (from 0 to π / 2 more with respect to the acting acceleration), the diffusion sensor is actually acceleration meter only in the lower frequency region, and in the higher frequency region it becomes a speed meter (with phase shifts closer to π / 2).

Устройство частотной и температурной коррекции, очевидно, может эффективно устранять указанные недостатки при условии, что комплексный коэффициент передачи этого устройства

где K₁ - коэффициент передачи диффузионного преобразователя. Однако сложная и сильная зависимость

от ω и T позволяет реализовать это условие с приемлемой простотой лишь в весьма ограниченной области частот и температур. В то же время диапазон температур, в которой сохраняется работоспособность диффузионных датчиков, достаточно широка и может составлять ± 60^oC.A frequency and temperature correction device, obviously, can effectively eliminate these disadvantages, provided that the complex transfer coefficient of this device

where K ₁ is the transfer coefficient of the diffusion converter. However, the complex and strong addiction

from ω and T allows this condition to be realized with acceptable simplicity only in a very limited range of frequencies and temperatures. At the same time, the temperature range in which the operability of diffusion sensors is maintained is wide enough and can be ± 60 ^o C.

В качестве прототипа изобретения выбран преобразователь параметров механического движения, содержащий корпус, внутри которого размещен диффузионный преобразователь потока электролита, инерционную массу, закрепленную на упругом подвесе и соединенную с мембранами диффузионного преобразователя, при этом преобразователь потока электролита подвешен в корпусе посредством плоских пружин и выполнен в виде двух концентрично размещенных камер, заполненных электролитом, ограниченных сверху мембранами, одна из которых жестким центром соединена с основанием, и сообщенных между собой измерительным каналом с электродами, причем канал выполнен на дне центральной камеры, а в периферийной камере на уровне первого канала размещен дополнительный измерительный канал, идентичный первому. As a prototype of the invention, a mechanical motion parameter transducer is selected, comprising a housing, inside which there is a diffusion electrolyte flow transducer, an inertial mass mounted on an elastic suspension and connected to diffusion transducer membranes, while the electrolyte flow transducer is suspended in the housing by means of flat springs and is made in the form two concentrically placed chambers filled with electrolyte, bounded above by membranes, one of which is a rigid center ene with a base, and communicated between a measuring channel with the electrodes, wherein the channel is formed at the bottom of the central chamber and a peripheral chamber at the first channel placed an additional measuring channel which is identical to the first.

Недостатками прототипа являются: 1. Зависимость коэффициента передачи преобразователя от температуры. Этот недостаток присущ практически всем диффузионным преобразователям. 2. Малый диапазон рабочих частот. The disadvantages of the prototype are: 1. The dependence of the transfer coefficient of the Converter on temperature. This disadvantage is inherent in almost all diffusion converters. 2. A small range of operating frequencies.

Технической задачей изобретения является значительное уменьшение температурной зависимости коэффициента передачи и расширение диапазонов частот, при которых диффузионный датчик является измерителем скорости и измерителем ускорения. An object of the invention is to significantly reduce the temperature dependence of the transmission coefficient and expand the frequency ranges at which the diffusion sensor is a speed meter and an acceleration meter.

Решение технической задачи достигается тем, что в датчик параметров механических колебаний, содержащий заполненный электролитом диэлектрический корпус с диффузионным преобразователем, преобразователь электрического сигнала в механический и усилитель дополнительно введены преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон, дифференциатор и преобразователь напряжение-ток, а в качестве преобразователя электрического сигнала в механический используется магнитогидродинамический преобразователь, размещенный в корпусе с электролитом, при этом диффузионный преобразователь, преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон и усилитель соединены последовательно, дифференциатор соединен последовательно с преобразователем напряжение-ток, выход которого соединен со входом магнитогидродинамического преобразователя, выход магнитогидродинамического преобразователя соединен со входом диффузионного преобразователя, а выход усилителя, являющийся выходом диффузионного датчика, соединен через переключатель со входом дифференциатора при измерении скорости или со входом преобразователя напряжение-ток при измерении ускорения. The solution to the technical problem is achieved by the fact that a current difference converter - voltage, a correction device, an optocoupler, a differentiator and a voltage-current converter, is additionally introduced into the sensor of parameters of mechanical vibrations, containing a dielectric case filled with an electrolyte with a diffusion converter, an electric signal converter into a mechanical signal and an amplifier; a magnetohydrodynamic converter located in a case with an electrolyte, wherein a diffusion converter, a current difference converter - voltage, a correction device, an optocoupler and an amplifier are connected in series, a differentiator is connected in series with a voltage-current converter, the output of which is connected to the input of the magnetohydrodynamic converter, the output of the magnetohydrodynamic converter is connected to the input of the diffusion converter, and the amplifier output, which is the output of the diffusion sensor, is connected through a switch to the diff entsiatora for speed or to the input voltage-current converter with acceleration measurement.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как предложенные отличительные признаки позволяют получить новое "свойство" - значительное уменьшение температурной зависимости коэффициента передачи и расширение частотных диапазонов при прямом измерений как скорости, так и ускорения колебаний. The proposed technical solution meets the criterion of "inventive step", since the proposed distinguishing features allow us to obtain a new "property" - a significant reduction in the temperature dependence of the transmission coefficient and the expansion of the frequency ranges for direct measurements of both speed and acceleration of oscillations.

На фиг. 1 приведена функциональная схема, отображающая принцип работы предложенного диффузионного датчика параметров механических колебаний. Схема содержит встроенные в корпус с электролитом диффузионный преобразователь 1 и магнитогидродинамический преобразователь 2, последовательно включенные с диффузионным преобразователем и между собой преобразователь разность токов - напряжение 3, устройство коррекции 4, оптрон 5 и усилитель 6, а также последовательно включенные дифференциатор 7 и преобразователь напряжение-ток 8, при этом выход последнего соединен с входом преобразователя 2, а выход усилителя, являющийся и выходом датчика, соединен через переключатель 9 либо с входом дифференциатора (переключатель в положении 10), либо с входом преобразователя 8 (переключатель в положении 11). In FIG. 1 is a functional diagram showing the principle of operation of the proposed diffusion sensor of parameters of mechanical vibrations. The circuit contains a diffusion transducer 1 and a magnetohydrodynamic transducer 2 integrated in the housing with an electrolyte, connected in series with the diffusion transducer and the current difference between the transducer - voltage 3, correction device 4, optocoupler 5 and amplifier 6, as well as differentiator 7 and voltage transducer connected in series current 8, while the output of the latter is connected to the input of the converter 2, and the output of the amplifier, which is also the output of the sensor, is connected through switch 9 or to the diff rentsiatora (switch in position 10) or to the input of inverter 8 (switch in position 11).

Работа предложенного устройства состоит в следующем. The operation of the proposed device is as follows.

Воздействующее на датчик колебание создает на входе диффузионного преобразователя 1 перепад давления Δ P_a = K_p•a, пропорциональный ускорению а. На этом же входе действует перепад давления Δ P_j, создаваемый магнитогидродинамическим преобразователем 2, направление тока на его входе выбирается так, чтобы Δ P_j был противоположен

Разность перепадов

преобразователях 1 и 3 преобразуется вначале в разность катодных токов, а затем в напряжение, которое после частотной и температурной коррекции в устройстве 4 поступает на вход оптрона 5, осуществляющего электрическую развязку преобразователей 1 и 2. Выходное напряжение оптрона 5 после усиления в усилителе 6 поступает на выход датчика. Одновременно это напряжение через переключатель 9 поступает либо на вход дифференциатора 7 и с его выхода - на вход преобразователя напряжение-ток 8 (при работе датчика в качестве измерителя скорости, переключатель - в положение 10), либо напрямую на вход преобразователя напряжение-ток 8 (при работе датчика в качестве измерителя ускорения, переключатель в положений 11). После прохождения через преобразователь напряжение-ток 8 сигнал в виде входного тока поступает на электродную пару магнитогидродинамического преобразователя 2. Вторая пара его электродов, как и в прототипе, может быть использована для калибровки датчика (на схеме фиг. 1 не показана).The oscillation acting on the sensor creates a pressure drop ΔP _a = K _p • a at the input of the diffusion transducer 1, which is proportional to the acceleration a. At the same input, there is a pressure drop Δ P _j created by the magnetohydrodynamic transducer 2, the direction of the current at its input is chosen so that Δ P _{j is} opposite

Difference difference

converters 1 and 3 are first converted to the difference of the cathode currents, and then to a voltage that, after frequency and temperature correction in the device 4, is fed to the input of the optocoupler 5, which carries out the electrical isolation of the converters 1 and 2. The output voltage of the optocoupler 5 after amplification in the amplifier 6 is supplied to sensor output. At the same time, this voltage through the switch 9 is supplied either to the input of the differentiator 7 and from its output to the input of the voltage-current converter 8 (when the sensor works as a speed meter, the switch is in position 10), or directly to the voltage-current converter 8 ( when the sensor operates as an acceleration meter, the switch in position 11). After passing through the voltage-current converter 8, the signal in the form of an input current is supplied to the electrode pair of the magnetohydrodynamic converter 2. The second pair of its electrodes, as in the prototype, can be used to calibrate the sensor (not shown in the diagram of Fig. 1).

С учетом того, что температурная нестабильность диффузионного датчика и неравномерность его частотной характеристики со стороны верхних частот практически определяются свойствами диффузионного преобразователя, для предлагаемой схемы датчика комплексный коэффициент передачи по ускорению в положении 10 переключателя описывается соотношением

а при положении 11 переключателя - таким же соотношением, но без коэффициента

Здесь буквой K с соответствующими цифровыми индексами обозначены коэффициенты передачи функциональных элементов схемы. Параметры этих элементов в рабочем диапазоне частот и температур должны выбираться, исходя из требования, чтобы модуль произведения коэффициентов преобразования в знаменателе (2) был много больше единицы. В этом случае с учетом того, что

K_Д= const,

и того что коэффициент передачи при измерении скорости равен

из соотношения (2) следует: при переключателе 9 в положении 10

При переключателе 9 в положении 11

Поскольку по сравнению с K₁( ω, T) частотной и температурной зависимостью K_p, K₂ и K₈ можно пренебречь, соотношения (3) и (4) показывают, что предлагаемая схема диффузионного датчика позволяет проводить измерение как скорости, так и ускорения при независимом от частоты и температуры коэффициенте преобразования в диапазонах ω и T, при которых соблюдается вышеуказанное требование. В принципе данная схема может эффективно работать и без устройства коррекции 4. Однако это устройство позволяет расширить область подавления частотной и температурной зависимости диффузионного преобразователя. При этом к этому устройству вместо сложно реализуемого условия (1) предъявляется более простое вышеуказанное требование: способствовать тому, чтобы модуль произведения в знаменателе (2) был много больше единицы в возможно большем диапазоне частот и температур. Важно отметить, что в положении 10 переключателя данное условие на практике выполняется в более высокочастотной области, чем при положении 11 переключателя. Это означает, что предлагаемый датчик может использоваться в качестве прямого измерителя скорости с равномерной частотной характеристикой в области более высоких частот по сравнению) с диапазоном частот, где он может использоваться как измеритель ускорения.Considering that the temperature instability of the diffusion sensor and the unevenness of its frequency response from the high frequencies are almost determined by the properties of the diffusion converter, for the proposed sensor circuit, the complex acceleration coefficient in the switch position 10 is described by the relation

and at position 11 of the switch - the same ratio, but without a coefficient

Here, the letter K with the corresponding digital indexes designates the transmission coefficients of the functional elements of the circuit. The parameters of these elements in the operating range of frequencies and temperatures should be selected based on the requirement that the modulus of the product of the conversion coefficients in the denominator (2) be much larger than unity. In this case, given the fact that

K _D = const,

and the fact that the gear ratio when measuring speed is

from relation (2) it follows: with switch 9 in position 10

With switch 9 in position 11

Since, in comparison with K ₁ (ω, T), the frequency and temperature dependence of K _p , K ₂ and K ₈ can be neglected, relations (3) and (4) show that the proposed diffusion sensor circuit allows measurement of both speed and acceleration at a frequency and temperature independent conversion coefficient in the ranges ω and T, at which the above requirement is met. In principle, this circuit can work effectively without correction device 4. However, this device allows you to expand the range of suppression of the frequency and temperature dependence of the diffusion converter. Moreover, instead of the difficultly implemented condition (1), this device is presented with the simpler above requirement: to ensure that the product modulus in the denominator (2) is much larger than unity in the widest possible range of frequencies and temperatures. It is important to note that at position 10 of the switch, this condition is in practice fulfilled in a higher frequency region than at position 11 of the switch. This means that the proposed sensor can be used as a direct speed meter with a uniform frequency response in the region of higher frequencies compared to) the frequency range where it can be used as an acceleration meter.

На основе всего изложенного можно заключить, что предложенное техническое решение обладает существенными преимуществами перед прототипом, а именно - более широким диапазоном частот по скорости и ускорению, а также низким температурным коэффициентом. Предварительные теоретические и экспериментальные оценки показали, что при правильном выборе параметров схемы она позволяет более чем на порядок расширить частотный диапазон и снизить температурный коэффициент диффузионного датчика без нарушения устойчивости его работы. Based on the foregoing, we can conclude that the proposed technical solution has significant advantages over the prototype, namely, a wider frequency range in speed and acceleration, as well as a low temperature coefficient. Preliminary theoretical and experimental estimates showed that with the right choice of circuit parameters, it allows you to more than an order to expand the frequency range and reduce the temperature coefficient of the diffusion sensor without violating the stability of its work.

Claims (1)

Датчик параметров механических колебаний, содержащий заполненный электролитом диэлектрический корпус с диффузионным преобразователем, преобразователь электрического сигнала в механический и усилитель, отличающийся тем, что в него введены преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон, дифференциатор и преобразователь напряжение - ток, а в качестве преобразователя электрического сигнала в механический используется магнитогидродинамический преобразователь, размещенный в корпусе с электролитом, при этом диффузионный преобразователь, преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон и усилитель соединены последовательно, дифференциатор соединен последовательно с преобразователем напряжение - ток, выход которого соединен с входом магнитогидродинамического преобразователя, выход магнитогидродинамического преобразователя соединен с входом диффузионного преобразователя, а выход усилителя, являющийся выходом датчика, соединен через переключатель с входом дифференциатора при изменении скорости или с входом преобразователя напряжение - ток при измерении ускорения. A mechanical vibration parameter sensor, comprising a dielectric case filled with an electrolyte with a diffusion converter, an electrical signal to mechanical converter and an amplifier, characterized in that a difference of currents - voltage, a correction device, an optocoupler, a differentiator and a voltage-current converter, and as a transducer of an electrical signal into a mechanical one uses a magnetohydrodynamic transducer located in a housing with an electrolyte, while a fusion converter, a current difference converter - voltage, a correction device, an optocoupler and an amplifier are connected in series, a differentiator is connected in series with a voltage-current converter, the output of which is connected to the input of the magnetohydrodynamic converter, the output of the magnetohydrodynamic converter is connected to the input of the diffusion converter, and the amplifier output, which is the output sensor connected via a switch to the input of the differentiator when the speed changes or to the input of the pre verters voltage - current in acceleration measurement.