ЭЛЕКТРЕТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЛЫХ ДАВЛЕНИЙ ДЛЯ СРЕДСТВ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

ELECTRET TRANSDUCER PRESSURE SMALL FUNDS FOR ANALYTICAL EQUIPMENT

Olga Dmitrieva

graduate student of Automation of technological processes of the Tver State Technical University,

Russia, Tver

Leonid Ilyasov

doctor of engineering, professor of Automation of technological processes of the Tver State Technical University,

Russia, Tver

АННОТАЦИЯ

Приводится описание нового преобразователя малых давлений, реализованного на базе стандартного электретного микрофона и электроакустического преобразователя электромагнитного типа. Принцип действия названного преобразователя давления основан на создании гармонических колебаний мембраны электретного микрофона с помощью электроакустического преобразователя и модуляции этих колебаний измеряемым давлением, вызывающем изменения расстояния между электродами электретного микрофона. Экспериментально установлена высокая чувствительность разработанного электретного преобразователя давления.

ABSTRACT

The description of the new low-pressure transducer, implemented on the basis of a standard electret microphone and electromagnetic type electroacoustic transducer. The principle of operation called pressure transmitter is based on the creation of harmonic oscillations of the membrane electret microphone with the help of electro-acoustic transducer and the modulation of these vibrations measured pressure causes a change in the distance between the electrodes of the electret microphone. Established experimentally developed high sensitivity electret pressure transducer.

Ключевые слова: электретный микрофон, преобразователь, малые давления, электроакустический преобразователь, сигнал.

Keywords: electret microphone, transmitter, low pressure, electro-acoustic transducer, a signal.

Измерение малых давлений и разности давлений является сложной технической задачей. В аналитической технике для решения этой задачи долгое время использовались дифференциальные колокольные манометры [1; 8], емкостные [9] и индуктивные [6] преобразователи разности малых давлений. В работе [2] было предложено использовать электретный преобразователь разности быстро изменяющихся давлений. Для измерения малых разностей давления успешно используется преобразование этой разницы в расход газовых потоков и последующее измерение этого расхода с помощью термоконвективных [3] или термокондуктивных [5] расходомеров.

Авторами предложен новый электретный преобразователь малых давлений [4], который обеспечивает измерение как статических, так и изменяющихся во времени давлений.

Необходимо отметить, что электретные преобразователи были описаны ранее в работах [7], однако они требуют разработки специальных конструкций измерительных устройств, а предложенные в работе [4] преобразователь реализуется на базе современных стандартных электретных микрофонов и генераторов звуковых колебаний.

Схема разработанного преобразователя малого давления показан на рис. 1. Электретный преобразователь давления содержит электретный микрофон с подвижным электродом, выполненным в виде металлической мембраны, на внутреннюю поверхность которой нанесен плоский электрет, противоэлектрод, размещенный на изоляторе во внутренней полости микрофона на фиксированном расстоянии от подвижного электрода, электронный усилитель, ко входу которого подключены названные электроды, и генератор электрических колебаний.

Рисунок 1. Схема электретного преобразователя малых давлений: 1 – штуцер; 2 – подвижный электрод; 3 – внутренняя поверхность подвижного электрода; 4 – плоский электрет; 5 – камера; 6 – электронный усилитель; 7 – выпрямитель; 8 – вольтметр; 9 – электретный микрофон; 10 – неподвижный противоэлектрод; 11 – изолятор; 12 – электроакустический преобразователь; 13 – звукоизлучающий элемент электроакустического преобразователя; 14 – электроакустический преобразователь; 15 – генератор электрических колебаний

Электретный преобразователь давления также содержит камеру, снабженную штуцером для подачи измеряемого давления, электроакустический преобразователь со звукоизлучающим элементом, выпрямитель и вольтметр. Электроакустический преобразователь и электретный микрофон вмонтированы в стенки камерны так, что подвижный электрод электретного микрофона и звукоизлучающий элемент электроакустического преобразователя обращены во внутреннюю полость камеры. Выпрямитель и вольтметр подключены последовательно к выходу электронного усилителя, а выход генератора электрического колебания подключен ко входу электроакустического преобразователя.

Электретный преобразователь давления работает следующим образом. При подаче от генератора электрических гармонических колебаний постоянной частоты звукоизлучающий элемент электроакустического преобразователя создает акустические колебания постоянной частоты, которые через камеру поступают к металлической мембране, которая при этом совершает механические колебания. Так как на внутреннюю поверхности этой мембраны нанесен плоский электрет, то при колебании мембраны изменяется расстояние между подвижным и неподвижным электродами, составляющими конденсатор. На выходе конденсатора создается знакопеременный электрический заряд, который, в свою очередь, создает переменный электрический ток в входной цепи электронного усилителя, т. е. возникает входной сигнал. После усиления этого сигнала усилителем он поступает на вход выпрямителя, сигнал которого измеряется вольтметром. Измеряемое давление подается в камеру через штуцер. Под действием этого давления прогибается мембрана и изменяется расстояние между этой мембраной и противоэлектродом. При этом существенно изменяется емкость конденсатора, образованного этой мембраной и противоэлектродом, увеличивается амплитуда колебаний напряжения между ними. Поэтому увеличиваются сигналы на выходах электронного усилителя и выпрямителя. Возникающий на выходе выпрямителя сигнал измеряется вольтметром и несет информацию о значении измеряемого давления. Для проверки работоспособности описанного преобразователя разности малого давления была создана лабораторная установка, схема которой показана на рис. 2а. Она включает в себя электретный преобразователь малого давления, стабилизатор давления сжатого газа (воздуха), образцовый манометр (класс точности 0,15), переменные дроссели, делитель давления на постоянных дросселях (капиллярах) и U-образный манометр с водяным заполнением.

a

б

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки для исследования электретного преобразователя малых давлений: 1 – стабилизатор давления; 2 и 8. образцовые манометры; 3 – переменный дроссель; 4 – U-образный манометр; 5 и 6. постоянные дроссели делителя давления; 7 – электретный преобразователь давления

Сам электретный преобразователь малых давлений был реализован на базе электретного микрофона типа МКЭ-3, в состав которого входит предварительный усилитель, электроакустический преобразователь (малогабаритный телефон типа ТМ2А). Для питания телефона использовался генератор низкочастотных колебаний типа Г3-118, а для питания электретного микрофона – источник постоянного тока типа Б5-47.

В лабораторной установке (рис. 2) сигнал преобразователя малого давления усиливался усилителем переменного тока типа У4-29, выпрямлялся и регистрировался на диаграммной ленте потенциометра типа КСП-4. При проведении исследований варьировались следующие параметры:

• напряжение на выходе генератора синусоидальных колебаний в диапазоне 0–10 В;
• частота синусоидальных колебаний в диапазоне 1–5 кГц;
• напряжение питания электретного микрофона в диапазоне 2–4 В;
• измеряемое давление в диапазоне 0–1 мм.вод.ст.

В экспериментальной установке малое давление (в диапазоне 0–1 мм.вод.ст) создавалось с помощью стабилизатора давления, переменного дросселя и делителя давления, составленного из двух ламинарных дросселей, которые представляли собой капилляры с внутреннем диаметром 0,25 мм. Для измерения давления на выходе стабилизатора использовался образцовый манометр со шкалой 0–1 бар, а для измерения давления на выходе делителя давления использовался U-образный манометр с водяным заполнением с диапазоном измерения 0–200 мм.вод.ст. Определение коэффициента деления давления на этом делителе осуществлялось путем подачи воздуха из стабилизатора давления рис. 2б, измерения давлений с помощью образцовых манометров, установленных на выходе стабилизатора давления и выходе в камере между постоянными дросселями делителя. Коэффициент деления определялся по результатам этих измерений и устанавливался равным 1:100. Такой прием позволил определять значений малых давлений, поступающих в электретный микрофон, по показаниям U-образного манометра путем деления этих показаний на 100, т. е. при подаче на вход делителя значения давления равного 0–100 мм.вод.ст., на входе электретного преобразователя формируется давление, равное 0–1 мм.вод.ст.

На рис. 3 в качестве примера показаны полученные на экспериментальной установке зависимости сигнала электретного преобразователя давления от значения измеряемого давления при различных частотах возбуждающего гармонического звукового сигнала.

Как видно из рисунка с увеличением частоты колебаний в исследуемом диапазоне частот коэффициент преобразования устройства уменьшается. Этот факт, по-видимому, связан с амплитудно-частотными характеристиками электретного микрофона и электроакустического преобразователя. В процессе экспериментальных исследований так же было выявлено что напряжение питания предварительного усилителя, входящего в состав электретного микрофона в диапазоне 2–4 В мало влияет на коэффициент преобразования электретного преобразователя давления. Было также установлено, что напряжение питания электроакустического преобразователя существенно влияет на названный коэффициент. Причем с увеличением напряжения питания с 3 до 9 В коэффициент преобразования уменьшается более чем в 4 раза, что можно объяснить тем фактом, что увеличение этого напряжения приводит к увеличению интенсивности колебаний мембраны электретного микрофона. Поэтому влияние изменения измеряемого давления на сигнал уменьшается.

Рисунок 3. Зависимости сигнала электретного преобразователя давления от возбуждающего гармонического звукового сигнала

Сложный механизм формирования сигнала электретного преобразователя давления требует проведения дополнительных всесторонних исследований влияния режимных и конструктивных параметров на его сигнал. В этом свете представляется целесообразной предварительная разработка математической модели сигнала электретного преобразователя малых давлений.

Список литературы:

1. Агейкин Д.И. Магнитные газоанализаторы: / Д.М. Агейкин. – М.: Госэнергоиздат, 1963. 216 с.
2. Вейнгеров М.Л. Физические основы создания оптических газоанализаторов, в которых используется поглощение инфракрасной и ультрафиолетовой радиации: / Автоматические газоанализаторы / Под ред. М.Л. Вейнгерова [и др.] – М.: ЦИНТИ электропром, 1961. 177–192 с.
3. Губкин А.Н. Электреты: / А.Н. Губкин. – М.: Наука, 1978. 192 с.
4. Патент 1039258 (ФРГ),42 К7/05, 1957.
5. Патент 157956 (RU), МПК8 G 01 L 9/00. Электретный преобразователь давления / Илясов Л.В, Дмитриева О.П.// Изобретения. 2015. № 35.
6. Патент 167072 (СССР), МПК G 01n G 01l. Устройство для определения малых давлений / Сахаров Б.Б.// Изобретения.1965. № 24.
7. Патент 618666 (СССР), – М. Кл2 G 01 L 9/02. Электретный датчик давления / Петров В.М. // Изобретения. 1978. № 29.
8. Плотников В.М. Приборы и средства учета природного газа и конденсата: / В.М. Плотников, В.А. Подрешетников, Л.Н. Тетеревятников. – Л.: Недра, 1989. 238 с.
9. Фарзане Н.Г. Автоматические детекторы газов и жидкостей: / Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим–заде. – М.: Энергоатомиздат, 1983. 96 с.