ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ПАНЕЛЬ ЛЕДОВОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПЬЕЗОРЕЗИСТОРНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ПЛЕНКИ (ВАРИАНТЫ)
MEASURING PANEL OF ICE PRESSURE BASED ON PIEZORESISTOR MOLECULAR FILM (VERSIONS)

Изобретение относится к области судостроения, а именно - вопросам прочности конструкции корпуса судна, и касается вопросов верификации внешних ледовых давлений и нагрузок, оказываемых на обшивку судна арктического плавания, находящегося под воздействием циклических нагрузок и низких температур.
Опыт строительства и эксплуатации судов в ледовых условиях показал, что для обеспечения надежности корпусных конструкций в условиях сложной ледовой обстановки необходимо определение ледовых нагрузок, возникающих в различных ситуациях. Измерение эксплуатационных ледовых нагрузок является важным источником информации при проектировании судов ледового плавания.
Измерения ледовых нагрузок проводятся на большом количестве судов, начиная с 1970-х годов. Методы измерения менялись и совершенствовались на протяжении всего этого времени, но большинство из них до сих пор основаны на использовании тензорезисторов, прикрепленных к элементам набора.
Одним из методов современных систем мониторинга ледовых нагрузок является использование тензометрических панелей (European Patent №1877747, 2006 г., K. Riska, R. Rouvari, A system for ice load monitoring) - прототип. Одно из преимуществ такого подхода состоит в том, что использование панелей дает интегральное представление о распределении нагрузок в измеряемой области, что является большим плюсом, в частности, для верификации численных моделей. Однако недостатком тензометрических панелей измерения ледового давления является наличие перекрестных помех между ребрами, которые уменьшают разрешающую способность и увеличивают погрешность измерения. Также традиционно такие панели устанавливаются на набор и внутреннюю сторону обшивки корпуса судна, что во многих случаях может приводить к увеличению систематической ошибки в процессе определения ледовых давлений.
Новым подходом к измерению ледового давления является использование оптических панелей измерения давления. Однако такой подход имеет ряд недостатков, основные из которых - ограниченность применения и сложность задачи распознавания цифровых визуальных образов.
В отличие от прототипа в представленной измерительной панели в качестве чувствительных элементов используется пьезорезисторная пленка. Также панель может устанавливаться как на внешнюю сторону обшивки корпуса, так и на внутреннюю.
В качестве чувствительного элемента в представленной панели используется тензочувствительная пьезорезисторная микропленка. Одним из примеров такой пленки является пленка с поликарбонатным основанием с наращенными на него двумя слоями тензочувствительного элемента (патент SU №1668855, 1989 г., Е. Лаухина, Тензорезистивная пленка).
Данный тензочувствительный элемент представляет собой слой монокристаллов трииодида бис(этилендитиоло)тетретиофульвалена - ион-радикальной соли общей формулы (ВЕДТ-TTF)2I3. Основными особенностями такого элемента является высокая чувствительность пленки на изменение ряда внешних факторов: давления, деформации, температуры, влажности.
При влиянии перечисленных факторов происходит изменение внутреннего сопротивления чувствительного элемента датчика. При этом характер зависимости изменения внутреннего сопротивления от деформации пленки носит детерминированный характер, что обеспечивает простоту конвертации физических величин.
Кроме того, данный чувствительный элемент работает при широком диапазоне температуры (140÷350 K), что позволяет использовать его при различных условиях эксплуатации объекта.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что пленка сохраняет свои свойства и выдерживает циклические нагружения при относительных упругих деформациях, не превышающих 1%.
Однако вследствие высокой чувствительности и хрупкости пленки для измерения физических величин, например ледового давления, для редуцирования возникающих напряжений необходимо использование материала с меньшим модулем упругости, чем у материала внешней обшивки датчика.
Структурная схема измерительной панели представлена на чертеже. Измерительная панель представляет собой две скрепленные между собой пластины 1, выполненные из твердого износостойкого материала. При этом варьирование материала предоставляет возможность как верифицировать ледовые нагрузки в различных арктических условиях, так и варьировать толщину измерительной панели. Одна из пластин содержит вырезанные углубления, заполненные пробками из редуцирующего материала 2, обладающего меньшим модулем упругости, чем материал обшивки панели датчиков. К каждой пробке закрепляется тензочувствительная пьезорезисторная микропленка 3, обеспечивающая измерение интересующих величин.
На краях пластины сделаны углубления, в которых расположены датчики для регистрации температуры 4, необходимые для того, чтобы повысить точность измерений, вследствие высокой чувствительности тензорезистивной пленки к малым изменениям температуры.
Для питания датчиков предусмотрена система кабель-каналов 5, по которой протянуты контакты от датчиков к базе.
В представленном изобретении вследствие большой прочности внешнего слоя (в полтора раза большего, чем у обшивки) панель крепится к внешней стороне обшивки корпуса судна 6. Также возможно варьирование количества установленных датчиков (суммарная площадь 30% от общей площади), что позволяет изменять разрешающую способность измерительной панели. Вследствие высокой чувствительности пьезорезисторной пленки может быть достигнута высокая точность измерений, что вкупе с широким диапазоном температур, возможностью варьировать разрешающую способность панелей и большим запасом прочности дает огромный потенциал для применения данного изобретения.
Предлагаемая измерительная панель ледового давления за счет использования тензочувствительного элемента и крепления на внешнюю сторону обшивки корпуса судна позволит существенно повысить точность измерений, что выгодно отличает его от прототипа.