DK167636B1 - Fremgangsmaade og apparat til overvaagning af akustiske transducere - Google Patents

Description

DK 167636 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fjernovervågning af en eller flere kapacitive akustiske transducere, fra en central overvågningsenhed, hvor transducerne hver især er forbundet med en indgang af en forforstærker, hvilken indgang har en 5 forholdsvis høj ohmsk modstand, og hvor der desuden fra den centrale overvågningsenhed er ført en prøveleder ud til hver af transducerne, og hvor afprøvningen af den enkelte transducer foretages ved, at der via prøvelederen og en i prøvelederen indskudt kondensator, der er lille i forhold til transdu-10 cerkapaciteten, føres et prøvesignal ud til forbindelsespunktet mellem transduceren og indgangen af forforstærkeren.

Der kendes en fremgangsmåde til overvågning af en eller flere kapacitive målemikrofoner med tilhørende forforstærkere og' forbindelseskabler, idet hver af mikrofonerne er sluttet til 15 indgangen af en forforstærker, hvilken indgang har en forholdsvis høj ohmsk modstand. Mikrofonerne kan være placeret fjernt fra en central overvågningsenhed, hvorfra kontrollen udføres, eventuelt automatisk. Fra den centrale overvågningsenhed føres der gennem en særskilt prøveleder et prøvesignal 20 ud til hver enkelt mikrofon. Prøvelederen forbindes til mikrofonens stelterminal. Prøvesignalet tilføres i serie med mikrofonens kapacitet. Med moderne forforstærkere er målekanalens svar på prøvesignalet næsten helt upåvirket af mikrofonens kapacitet, hvorfor ændringer i denne ikke vil kunne detekteres, 25 selv om denne skulle være blevet uendelig stor eller eventuelt kortslutter.

Ældre typer af forforstærkere (rørforstærkere) , som har en større indgangskapacitet, vil kunne give en lille følsomhed over for kapacitetsændringer i mikrofonen. Denne følsomhed er 30 imidlertid meget lille, typisk mindst én størrelsesorden lavere end den, der kan opnås med metoden ifølge opfindelsen. Dertil kommer, at elektromagnetisk indstråling er et væsentligt teknisk problem, især ved større elektromagnetiske måleanlæg. Problemet er voksende med udbredelsen af digitale instrumen-35 ter. Måleanlæg med det kendte overvågningsanlæg er på grund af 2

υκ ib/bob bT

mikrofonens og forstærkerens adskilte stelterminaler følsomme over for ydre felter.

Endvidere kendes fra US patentskrift nr. 4.648.078 et anlæg til afprøvning af et antal akustiske transducere fra en cen-5 tral overvågningsenhed, idet der via en kapacitet imellem afskærmningen og inderlederen af et skærmet kabel føres et prøvesignal ud til forbindelsespunktet mellem den enkelte transducer og en ladningsforstærker. Dette anlæg er imidlertid kun i stand til at angive, om forstærkeren og tilledningen til 10 overvågningsenheden fungerer.

Formålet med opfindelsen er at anvise en forbedret fremgangsmåde til at angive, om transduceren har ændret kapacitet.

En fremgangsmåde af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at den i prøvelederen indskudte 15 kondensator har en ækvivalent parallelmodstand (afledningsmodstand) , der er stor i forhold til impedansen af kondensatoren, og at frekvenskarakteristikken måles via prøvelederen og sammenlignes med tidligere bestemte karakteristikker til angivelse af eventuelle fejl af transduceren. Den store ækvivalente 20 parallelmodstand (afledningsmodstand) af kondensatoren muliggør en afprøvning ved selv de laveste driftsfrekvenser, således at man vil kunne udlede hele frekvenskarakteristikken. Denne frekvenskarakteristik vil derefter kunne sammenlignes med kendte referencer med henblik på angivelse af eventuelle 25 fejl af transduceren.

Fremdeles kan ifølge opfindelsen den i prøvelederen indskudte kondensator have en ækvivalent parallelmodstand (aflednings-modstand) på af størrelsesordenen 107 Μ Ω.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under hen-30 visning til tegningen, hvor DK 167636 B1 3 fig. 1 viser en kendt mikrofonenhed bestående af en kondensatormikrofon og en forforstærker, fig. 2 det tilsvarende ækvivalensdiagram, fig. 3 et kondensatormikrofonkredsløb med en prøveleder til 5 udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 4 det tilsvarende ækvivalensdiagram, fig. 5 en del af prøvelederen, fig. 6 et mellemstykke, der kan indskydes imellem forforstærkeren og mikrofonkapslen, og hvori der sidder en justerbar 10 skrue af metal, der er elektrisk isoleret fra den øvrige del af mellemstykket, og fig. 7 hele mikrofonenheden.

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til overvågning af transducere, f.eks. akustiske transducere i form af mikrofonenheder, 15 der kan være anbragt i stor afstand fra en central overvågningsenhed. I f.eks. lufthavne er man interesseret i at foretage en løbende måling og registrering af flystøj. De flyselskaber, der støjer mest, straffes i visse tilfælde med færre landingstilladelser og eventuelt også med bøder. Det er derfor 20 nødvendigt at have et omfattende måleanlæg bestående af et stort antal mikrofonenheder til at registrere støjen. For at der kan være fuld tillid til, at alle mikrofonenheder i et sådant måleanlæg virker tilfredsstillende, er det med jævne mellemrum nødvendigt at foretage en afprøvning af disse. Det 25 er meget afgørende, at man kan stole på måleanlæggets nøjagtighed, idet overskridelser af støjgrænser kan få meget store konsekvenser.

Fig. 1 viser en kendt mikrofonenhed bestående af en kondensatormikrofon 2 og en forforstærker 4. Kondensatoren 5 er summen 4

Ulv I O/Doo B I

af forstærkeren 4's indgangskapacitet og kapaciteten i tilledningen. Den ohmske modstand 6 er forstærkeren 4's indgangsmodvis 0,2 pF og 5 x 1010 Ω. Kondensatormikrofonen 2's kapacitet er på ca. 20 pF. Der er desuden ført en prøveleder 8 ud til 5 den ene indgangsterminal af mikrofonen 2, idet der via prøve-lederen 8 og en omskifter 1 i en central overvågningsenhed kan tilføres et prøvesignal på f.eks. 100 mV ved en eller flere diskrete frekvenser.

Fig. 2 viser det tilsvarende ækvivalensdiagram med omskifteren 10 1 i den i fig. 1 viste stilling. Det fremgår heraf, at der selv i tilfælde af at kondensatormikrofonen 2 kortsluttes (Cm = oo) , kun vil være en mindre ændring i udgangssignalet VU(^ fra forstærkeren 4 i modsætning til anlægget til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, som er så følsomt, at selv 15 små ændringer på 1% vil kunne detekteres. Mindre fejl kan f.eks. være en følge af, at i mikrofonen 2's dele har sat sig i forhold til hinanden, eller der kan være tale om, at membranen i kondensatormikrofonen 2 er blevet slappere således, at den trækkes mod en bagelektrode af en elektrisk polarisations-20 spænding imellem membranen og bagelektroden. Ændringen ved en kortslutning (Cm = oo) er i det kendte anlæg så lille, at den næsten ikke vil kunne måles, jf. formlen

Wvind -hvor 25 Cm er mikrofonens kapacitet,

Cj_ er forforstærkerens indgangskapacitet, og Ά er forforstærkerens forstærkning.

Ved anvendelse af rørforstærkere er indgangskapaciteten typisk 3 pF, medens forstærkningen typisk er 0,95. For en typisk 1/2" 30 mikrofon på 20 pF fås følgende spændingsforhold.

Vud/Vind = 20/(20+3)-0,95 = 0,83

En brudt membran eller en vanddråbe i mikrofonen kan forårsage DK 167636 B1 5 store fejlmålinger ved at kortslutte mikrofonens kapacitet. Sådanne grove fejl vil kunne detekteres fra den centrale enhed, idet spændingsforholdet da vil ændre sig fra 0,83 til 0,95. Anlægget er væsentligt mindre følsomt overfor kapaci-5 tetsændringer, idet små ændringer ikke vil kunne detekteres.

I anlægget til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er der proportionalitet således, at en kapacitetsændring på f.eks. 5% også giver en ændring i udgangssignalet VU(^ på 5%.

Endvidere kræves i den kendte kondensatormikrofon en isolation 10 imellem mikrofonkapslen og den øvrige del af mikrofonenheden, der omfatter forforstærkeren 4, idet disse dele skal være isoleret fra hinanden under tilførsel af prøvesignalet. Omskifteren 1 i den centrale overvågningsenhed vil enten tilslutte kondensatormikrofonen 2 til en prøvespændingskilde på ca. 100 15 mV el- ler til stel. Forbindelsen til stel via omskifteren 1 i den centrale overvågningsenhed sker derved over en forholdsvis lang ledervej, der giver mulighed for opsamling af uvedkommende signaler.

Ifølge opfindelsen er prøvelederen 8' via en forholdsvis lille 20 kondensator 10 ført ud til forbindelsespunktet mellem kondensatormikrofonen 2 og indgangen af forforstærkeren 4. Kondensatoren 10 er på ca. 0,1 pF, dvs. af samme størrelsesorden som kapaciteten 5. Derved fås en langt større ændring i forstærkerens 4 udgangssignal Vucj i tilfælde af, at kondensatormikrofo-25 nen 2 kortslutter, og selv små ændringer i kapaciteten på ca.

1% vil kunne detekteres. Kondensatoren 10's ækvivalente parallelmodstand (afledningsmodstand) skal imidlertid være af stør-relsesordenen 10 Μ Ω, for at lækstrømmen kan være ca. 100 gange lavere end kondensatorens 10 kapacitive strøm, idet der 30 ellers opstår en uacceptabel frekvensulinearitet i den nedre del af frekvensspektret. Parallelmodstanden (afledningsmod- •7 standen) må derfor være af størrelsesordenen 10 Μ Ω, hvis en typisk kondensatormikrofon skal kunne afprøves ved en nedre grænsefrekvens på 20 Hz.

6 UK 1b/bdb di

En sådan lille kondensator 10 med en høj afledningsmodstand er tilvejebragt ved hjælp af et substrat 14 - se fig. 5 - idet der er en loddeø 12 på den ene side af substratet 14 og en ikke vist ledervej på den anden side af substratet 14. Læk-5 strømmene bliver derved meget små,, og kapaciteten bliver meget lille og vil kunne trimmes ved afskæring af dele af loddeøen 12 ved hjælp af en laserstråle eller andre slibemidler. Substratet 14 kan f.eks. udgøres af det kredsløbskort, hvorpå forforstærkeren 4 er udlagt.

10 En defekt kondensatormikrofon 2 giver derved en meget stor ændring i udgangssignalet fra forforstærkeren 4 ved tilførsel af et prøvesignal på af størrelsesordenen 10 V til prøvelederen 8'. Udgangsspændingen er vud - vind · <V(cm + ci + co> ' A eller 15 vud - Qind/(Cm + c* + ce) · A eller vud - Qind/ICm - ci> · A- idet

Cc « =>η + ci hvor

Cc er kapaciteten, hvorigennem prøvesignalet tilføres 20 A er forstærkningen og

Qind er indgangsladningen.

Hvis det antages, at

Vind = 10 V; Cc = O'1 PF; cm = 20 PF; Ci = 0,2 pF og A = 0,995 har man V„JVinri = 0,--- · 0,995 = 4,9 · 10-3 ud! ind '20+0,2+0,1 25 svarende til 49 mV ved et AC-prøve signal på 10 V.

Hvis Cm ændres til oo svarende til at der er en kortslutning, bliver VU(j næsten 0. En afprøvning ved flere forskellige frekvenser vil kunne afsløre, om frekvenskarakteristikken er ændret i forhold til den én gang målte, og fejlkilden vil kunne 3 0 indkredses.

DK 167636 B1 7

Det er imidlertid meget væsentligt, at afledningsmodstanden er meget høj, i praksis af størrelsesordenen ΙΟ7 Μ Ω. Stabiliteten af kapaciteten skal typisk være så god, at hverken temperaturen eller tidens forløb fører til ændringer, der oversti-5 ger 1%.

Kapaciteten vil typisk være 100 gange mindre end mikrofonkapaciteten, dvs. 0,1 pF eller mindre.

Alternativt vil den forholdsvis lille kondensator i prøvelederen 8' kunne tilvejebringes i mikrofonkapslen 20 eller i et 10 mellemstykke 19 imellem mikrofonkapslen 20 og forforstærkeren 18, i form af en justerbar skrue 16, der er elektrisk isoleret fra den øvrige del af kapslen eller mellemstykket og har en lille kapacitet i forhold til en fast understøttet gennemgående leder 17, der tilvejebringer forbindelsen mellem kondensa- 15 tormikrofonen og forforstærkeren 18 - se fig. 6. Prøvelederen 8' er sluttet til skruen 16. Man behøver ikke at kende kapacitetens værdi helt nøjagtigt. Den skal blot være meget stabil.

Fig. 7 viser hele mikrofonenheden, idet man ser den indkapslede forforstærker 18, mellemstykket 19 og mikrofonkapslen 20.

20 Ud fra frekvenskarakteristikken af forholdet mellem udgangs-og indgangsspændingen kan man desuden udtale sig om eventuelle fejl og afgøre, om kondensatormikrofonen 2 bør udskiftes. Dette er meget praktisk, hvis man har et stort antal mikrofonen-heder i stor afstand fra en central overvågningsenhed.

25 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen vil også kunne benyttes i forbindelse med andre kapacitive transducere, såsom piezoelek-triske hydrofoner og accelerometre, og vil f.eks. kunne anvendes til at kontrollere, om et accelerometer er korrekt monteret .

30 Anlægget til udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen er desuden mindre følsomt over for eksterne elektromagnetiske

Claims (2)

1. 5 Af andre fejlkilder end vanddråber i mikrofonen og kortslutning af kondensatormikrofonen kan nævnes en forkert elektrostatisk ladning. Endvidere kan der være en forkert elektrostatisk ladning i membranen af kondensatormikrofonen. En forkert ladning vil i praksis kunne ækvivaleres med en ændret kapaci-10 tet af kondensatormikrofonen. Selv små fejl som sætning i mikrofonen eller mindre ændringer i membranens stramning, vil kunne detekteres ved hjælp af fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Det afgørende er, at man kender målenøjagtigheden, og at denne 15 ikke ændres i tid, idet man kun derved har er sikkert grundlag for beregning af bøder for overtrædelse af støjniveauet. Lederen fra transduceren og den enkelte forforstærker, til den centrale enhed, bliver også afprøvet. Patentkrav. 20 -------------------- 1 Fremgangsmåde til fjernovervågning af en eller flere kapa-citive akustiske transducere, fra en central overvågningsenhed, hvor transducerne hver især er forbundet med en indgang af en forforstærker (4), hvilken indgang har en forholdsvis 25 høj ohmsk modstand (6), og hvor der desuden fra den centrale overvågnings enhed er ført en prøveleder (8') ud til hver af transducerne, og hvor afprøvningen af den enkelte transducer foretages ved, at der via prøvelederen (8') og en i prøvelederen (8') indskudt kondensator (10), der er lille i forhold til 30 transducerkapaciteten, føres et prøvesignal ud til forbindelsespunktet mellem transduceren og indgangen af forforstærkeren (4), kendetegnet ved, at den i prøvelederen (8') DK 167636 B1 9 indskudte kondensator (10) har en ækvivalent parallelmodstand (afledningsmodstand), der er stor i forhold til impedansen af kondensatoren (10) , og at frekvenskarakteristikken måles via prøvelederen (8') og sammenlignes med tidligere bestemte ka-5 rakteristikker til angivelse af eventuelle fejl af transduceren.
2. 2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den i prøvelederen (8') indskudte kondensator (10) har en ækvivalent parallelmodstand (afledningsmodstand) på af stør-7 10 relsesordenen 10 Μ Ω.