ГИДРОФИЗИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
HYDROPHYSICAL DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области измерения статистических характеристик гидрофизических полей жидкости, в частности, к датчикам измерения мгновенных значений гидрологических характеристик, и может быть использовано в системах гидролокации для обнаружения движущихся в погруженном положении в режиме полного молчания объектов, например, типа подводных диверсионных сил и средств (ПДСС); в состав которых входят боевые пловцы (БП), средства их доставки, малые (МПЛ) и сверхмалые (СМПЛ) подводные лодки и другие.
Известны устройства измерения различных характеристик жидкости, основанные на:
I определении водорода, образующегося в морской воде при работе атомных реакторов подводных лодок;
II датчик поля радиоактивности;
III датчики температуры;
IV оптические и фотометрические устройства;
V гидрофоны и гидроакустические датчики;
VI датчики пульсаций давления.
Все эти устройства объединяют то, что они измеряют либо регулярные, либо нерегулярные составляющие гидрологических характеристик жидкости.
В то же время всем этим устройствам присущи и общие недостатки.
Основным недостатком первых двух типов датчиков является то,  что они применимы в системах обнаружения только атомных подводных лодок.
Основным недостатком датчиков III и IV типов является то, что они не эффективны при волнении моря из-за резких уменьшений и искажений регистрируемых локальных аномалий в силу их диссипации, вызванной морским волнением, а датчики IV типа в ночное время практически неприменимы.
Датчики V типа при работе в системах активной гидролокации не обеспечивают скрытности действия, а в пассивном режиме работы станции практически бесполезны для обнаружения ПДСС, движущихся в режиме полного молчания, т.е. при отсутствии излучения объектом энергии в ИК-, радио-, световом и звуковом диапазонах волн, движители которых при этом практически бесшумны.
Датчики VI типа применимы на подводных лодках для измерения фоновой турбулентности морской воды, а также в системах обнаружения и измерения параметров турбулентности в кильватерном следе подводной лодки и не могут быть использованы в системах обнаружения ПДСС по измерениям малых изменений гидрологических характеристик жидкости (в частности, импульса переноса), обусловленных локальными возмущениями, возбуждаемыми движущимися в погруженном положении объектом.
Известно также гидрофизическое устройство (ГФУ) - измерительный гидрофизический преобразователь (ГФП) [5].
Это устройство по своему функциональному назначению наиболее близко к предлагаемому и состоит из герметического корпуса с крышкой, в котором установлены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным элементом и электронный блок. Чувствительный элемент измерительного блока выполнен в виде плоской пластины, измерительного механотрона, один конец которой соединен с подвижными электродами, а другой имеет синусоидальную форму, выведен через диафрагму в полость обтекателя и соединен с выполненными в виде прецизионных мембран днищами резонаторов, размещенных на внутренней поверхности обтекателя и заполненных вязкой инертной жидкостью (более плотная фаза), например, составом, изготовленным на основе полиметилсилоксановой жидкости типа ПМС ГОСТ 13032-77 или на основе кремнийорганической жидкости типа ПЭС-В ГОСТ 16480-70, не перемешиваемой с окружающей средой (менее плотная фаза); при этом полость каждого резонатора соединена с окружающей средой через капилляры, выполненные в корпусе обтекателя в плоскости, параллельной плоскостям мембран и чувствительного элемента, а также газовый баллон, исполнительный механизм, предохранительный клапан и компенсационный механотрон, штырь которого соединен с механизмом установки нуля, сильфонного датчика, а электрические выводы соединены через электронный блок с исполнительным механизмом, связанным с газовым баллоном, при этом предохранительный клапан герметично установлен на торце обтекателя.
В основу построения упомянутого устройства положены явление переноса импульса, которое наиболее полно описывает механизм силового взаимодействия твердого тела с жидкостью, а также гидрофизические особенности и закономерности явлений, возникающих на поверхностях раздела двух несмешиваемых жидкостей различных плотностей и вязкостей и твердого тела.
На поверхности раздела двух фаз (две несмешиваемые жидкости) в результате различного межмолекулярного взаимодействия в соприкасающихся фазах обнаруживается направленная внутрь более плотной фазы равнодействующая сил, приложенных к площади слоя раздела. А на поверхности раздела между этими жидкостями и твердым телом свойства поверхностного натяжения вызывают особые явления, которые проявляются в образовании капиллярных волн при возмущениях внешней среды. В этом случае существование устойчивости и равновесия зависит от величины натяжений на поверхностях раздела и от степени смачивания. При этом внутри жидкости более плотной фазы, заключенной в капиллярах, формируются жидкостные линзы. Такое взаимодействие позволяет фиксировать малые дополнительные локальные изменения статистической структуры гидрофизического поля жидкости, в частности изменения импульса переноса.
При изменении импульса переноса во внешней среде, обусловленном возмущениями, вызываемыми движущимся в погруженном положении объектом, над квазинеподвижной поверхностью раздела в плоскости нормальной к этой поверхности создается градиент импульса переноса. Вследствие этого движение во внешней среде у поверхности раздела станет неустойчивым и распадается на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах.
Устройство работает следующим образом.
При изменении импульса переноса во внешней среде, обусловленном локальными возмущениями, вызываемыми движущимся в погруженном положении объектом типа ПДСС, в резонаторах под воздействием коротких волн, возбуждаемых в жидкостных линзах, наводятся колебания, которые воздействуют через мембраны на чувствительный элемент измерительного блока, возбуждая его колебания, которые, в свою очередь, вызывают перемещения подвижных электродов измерительного механотрона, что приводит к изменению выходного сигнала в анодной цепи измерительного механотрона, включенного по мостовой схеме. Выходное напряжение последнего подают на дифференциальный усилительный каскад, напряжение с которого подают для дальнейшего использования, например, на пост регистрации, индикации и управления.
м
м
оп
см
оп
см
м
оп
см
1
2
1
2
1
2
1
2
При увеличении глубины погружения ГФА срабатывает сильфонный датчик, который воздействуя на штырь компенсационного механотрона, вызывает изменения выходного напряжения U последнего. Если U≤U+U (где U - опорное напряжение, снижаемое от стабилитрона типа Д818Е, а U - напряжение смещения компаратора), то выход компаратора закрыт, обмотка исполнительного механизма обесточена и клапан газового баллона закрыт. Если же U>U+U, то выход компаратора открывается, открывается и клапан газового баллона, а за счет поступающего в полость обтекателя из баллона воздуха давление внутри обтекателя P уравновешивается с давлением внешней среды P. При P=P обмотка исполнительного механизма обесточивается и поступление воздуха в обтекатель прекращается. При P>P срабатывает предохранительный клапан, который при P≤P закрывается.
Данное устройство относится к измерительным приборам, применяемым только в стационарных системах гидролокации, не подтвержденных воздействию механических вибраций и предназначенных для обнаружения подводных целей типа ПДСС в прибрежной зоне континентального шельфа.
В случае применения ГФУ в составе бортовых корабельных средств гидролокации для обнаружения подводных целей его устанавливают на штоке поворотно-выдвижного устройства (ПВУ) и с помощью последнего выдвигают за обводы корабля. В этом случае вибрации корпуса корабля, обусловленные работой силовых установок, обеспечивающих жизнедеятельность корабля во время стоянок, например, в акваториях внутренних и внешних рейдов, передаются (как структурный шум) через шток ПВУ непосредственно на ГФУ. Это приводит к значительному ухудшению отношения сигнал/шум, снижению точности измерений малых изменений импульса переноса и, как следствие, к уменьшению вероятности обнаружения целей, и в конечном счете к необнаружению или пропуску целей средствами гидролокации и снижению эффективности системы ближайшего рубежа охранения в целом.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения малых изменений импульса переноса в условиях воздействия структурных шумов, обусловленных вибрациями корпуса корабля.
Поставленная цель достигается за счет того, что в ГФУ, содержащее измерительный ГФП, состоящий из герметичного корпуса с крышкой, в котором установлены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным элементом и электронный блок, чувствительный элемент выполнен в виде плоской пластины измерительного механотрона, один конец которой соединен с подвижными электродами, а другой имеет синусоидальную форму, расположен внутри полого обтекателя и соединен с выполненными в виде прецизионных мембран днищами резонаторов, размещенных на внутренней поверхности обтекателя и заполненных инертной жидкостью, при этом полость каждого резонатора соединена с окружающей средой через капилляры, выполненные в корпусе обтекателя в плоскости, перпендикулярной плоскостям мембран и чувствительного элемента, а также газовый баллон, исполнительный механизм, предохранительный клапан, герметично установленный на торце обтекателя, и компенсационный механотрон, штырь которого соединен с механизмом установки нуля сильфонного датчика, а электрические выводы соединены через электронный блок с исполнительным механизмом, связанным с газовым баллоном, к упомянутому измерительному ГФП через узел крепления подсоединен идентичный ГФП, снабженный насадком с крышкой, на торце выступа которой в ее центре установлен предохранительный клапан, идентичный предохранительному клапану измерительного ГФП, насадок жестко укреплен на корпусе ГФП со стороны обтекателя и заполнен жидкостью таким образом, чтобы в нем оставался некоторый объем воздуха, при этом наружный диаметр насадка равен наружному диаметру корпуса ГФП и его торец выполнен в одной плоскости с торцом обтекателя ГФП, а верхняя часть насадка закрыта мембраной, изготовленной из высокоэластичной водостойкой резины, в центре мембраны выполнено отверстие для упомянутого предохранительного клапана ГФП, с помощью гайки которого положение мембраны зафиксировано на торце обтекателя, крышка насадка выполнена с полостью, размер которой должен быть больше размера предохранительного клапана ГФП, а свободный объем полости крышки не меньше объема воздуха в полости насадка, при этом упомянутый узел крепления состоит из корпуса и патрубка для подсоединения ГФУ к штоку ПВУ, корпус узла крепления цилиндрический, на торцах которого расположены накидные гайки для подсоединения измерительного и компенсационного гидрофизических преобразователей, а внутри корпуса в средней его части установлено вычитающее устройство, входы которого подключены к выходам электронных блоков обоих ГФП, а выход является выходом гидрофизического устройства.
Такое построение устройства обеспечивает повышение точности измерения малых изменений импульса переноса в условиях воздействия структурных шумов, обусловленных вибрациями корпуса корабля, так как воздействие структурных шумов приводит к изменению статистической структуры гидрофизических полей жидкости в насадке, в частности к изменению импульса переноса над квазинеподвижной поверхностью раздела, создавая градиент импульса переноса над ней. Вследствие этого движение жидкости в полости насадка у поверхности раздела станет неустойчивым и распадется на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах. Наведенные в резонаторах волны, воздействуя через мембраны на чувствительный элемент измерительного блока, приводят к изменению выходных сигналов ГФП. Одновременно во внешней среде структурные шумы создают дополнительный градиент импульса переноса над поверхностью раздела, что приводит к увеличению шумовой составляющей в смеси сигнал + шум, фиксируемой измерительным ГФП.
Введенный дополнительный ГФП, индентичный по своему выполнению измерительному ГФП, совместно с закрепленным на нем насадком с крышкой выполняет роль компенсационного ГФП.
Вследствие индентичности конструкции преобразователей, а также жидкостей как менее плотной, так и более плотной фаз электрические сигналы на выходе измерительного и компенсационного гидрофизических преобразователей, обусловленные структурными шумами, будут равны. Вычитание сигналов от двух ГФП позволяет уменьшить влияние структурных шумов и обеспечить возможность измерения малых изменений импульса переноса в условиях воздействия структурных шумов. Для выделения из смеси сигнал + шум составляющей, обусловленной структурными шумами, сигналы от обоих ГФП подают на вычитающее устройство, в котором производят компенсацию структурных шумов.
Данное техническое решение соответствует критериям "существенные отличия" и "новизна", так как все перечисленные выше признаки в этой совокупности органически связаны, существенны, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной цели.
Все признаки в заявляемом устройстве порознь известны, но в заявляемой совокупности они не могут рассматриваться отдельно, так как признаки взаимно и органически связаны, взаимодействуют вместе и обнаруживают в отношениях друг с другом новое свойство - измерять малые изменения импульса переноса, обусловленные локальными возмущениями, возбуждаемыми движущимися в погруженном положении объектами типа ПДСС, в условиях воздействия структурных шумов.
Подобные технические решения с заявляемой совокупностью признаков авторам и заявителю не известны и поэтому предложение обладает новизной.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - общий вид устройства;
на фиг. 2 - компенсационный ГФП;
на фиг. 3 - функциональная схема,
на фиг. 4 вычитающее устройство, схема монтажная;
на фиг. 5 - узел крепления.
Предлагаемое устройство состоит из измерительного ГФП - 1, компенсационного ГФП - 2, узла крепления - 3 обоих ГФП между собой и на штоке ПВУ и вычитающего устройства - 4, выполненного в виде дифференциального усилителя на микросхеме типа 140УД7 (см. фиг. 1, 2, 3).
Измерительный ГФП - 1 (см. фиг. 2, на которой показан в разрезе компенсационный ГФП - 2, идентичный описанному только без насадка с крышкой) состоит из чувствительного элемента - 19, измерительного блока - 20, выполненного на механотроне типа 6МХ1С, электронного блока - 21, газового баллона - 22 с исполнительным механизмом и компенсационного механотрона - 23 (например, типа 6МХ2Б).
Основными элементами электронного блока - 21 являются, схемы включения и выходные дифференциальные каскады, выполненные на микросхемах типа 140УД7, измерительного блока - 20 и компенсационного механотрона - 23, а также компаратора типа 521СА3, вход которого соединен с выходом дифференциального каскада компенсационного механотрона - 23, а выход нагружен на реле (например, типа РЭС-32) исполнительного механизма газового баллона - 22.
Основными элементами компенсационного ГФП - 2 (см. фиг. 2) являются гидрофизический преобразователь, идентичный измерительному ГФП - 1, насадок - 5, жестко и герметично (например, с помощью газо- или электросварки) укрепленный на корпусе преобразователя со стороны обтекателя. Насадок - 5, состоит из корпуса - 6, наружный диаметр которого равен наружному диаметру корпуса ГФП - 2, мембраны - 7, изготовленной из высокоэластичной резины, например, марки ТМКЩ (0,5-1,5) ГОСТ 7338-77, и крышки - 8 с предохранительным клапаном - 9. Внутренняя полость насадка - 5 заполнена жидкостью, индентичной с окружающей устройство жидкой средой, таким образом чтобы между мембраной - 7 и жидкостью оставался некоторый объем воздуха.
Связь как измерительного - 1, так и компенсационного - 2 гидрофизических преобразователей с вычитающим устройством осуществляется с помощью приборной розетки - 10, например, типа РГН-1-3, а связь заявляемого ГФУ с постом регистрации, индикации и управления - с помощью разъемной пары, например, типа МРН8-1 (см. фиг. 4 поз. 11).
Сборку ГФУ осуществляют следующим образом (см. фиг. 1, 2, 5).
Внутреннюю полость насадка - 5 заполняют жидкостью до заданного уровня, затем на его торец устанавливают мембрану - 7 и фиксируют ее положение с помощью предохранительного клапана - 12 ГФП. На выступе крышки - 8 укрепляют предохранительный клапан - 9 насадка - 5. Насадок - 5 герметично с помощью мембраны - 7 закрывают крышкой - 9. В корпусе узла крепления - 3 на кронштейнах - 13 крепят вычитающее устройство - 4, с помощью кабельных вилок - 14, например, типа РШ2Н - 17 электрически соединяют с вычитающим устройством - 4 измерительный - 1 и компенсационный - 2 гидрофизические преобразователи, которые затем жестко и герметично закрепляют на торцах узла крепления - 3 с помощью гаек - 15 и уплотнительных прокладок - 16. Все места соединения насадка - 15 и преобразователей 1 и 2 дополнительно герметизируют герметиком, например, типа УТ-32 ТУ381051386-80. Через патрубок - 17 служащего для крепления ГФУ на торце полого штока ПВУ прокладывают кабель-кросс для связи ГФУ с постом регистрации, индикации и управления, на конце которого устанавливают кабельную вилку типа РШ2Н-1-17.
Устройство работает следующим образом.
Воздействие структурного шума приводит к изменению гидрологических характеристик, в том числе и импульса переноса, гидрофизического поля жидкости в полости насадка - 5. Это приводит к созданию градиента импульса переноса над квазинеподвижной поверхностью раздела. Вследствие этого движение у поверхности раздела станет неустойчивым и распадается на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах. Наведенные в резонаторах - 18 под воздействием структурного шума волны, воздействуя на чувствительный элемент - 19, вызывают его колебания, которые передаются перемещаемым электродам измерительного механотрона - 20, что приводит к изменению его выходного сигнала, который подается на дифференциальный каскад электронного блока 21.
Вследствие идентичности конструкции обоих ГФП их выходные сигналы, обусловленные структурными шумами, будут равны. Для выделения из смеси сигнал + шум составляющей, обусловленной структурным шумом на выходе ГФП-1, работающего аналогично прототипу, сигналы с выходов обоих ГФП подают на входы вычитающего устройства - 4, в котором производят компенсацию помех, обусловленных структурными шумами.
С целью обеспечения заданного уровня чувствительности измерений при изменении глубины погружения путем адаптации к изменяющимся гидрологическим условиям, обусловленных характером распределения различных параметров окружающей среды и уравновешивания параметров окружающей среды и жидкости в полости насадка - 5, предохранительный клапан - 9, ГФП-2 расположен в пространстве над мембраной - 7, заполненном воздухом. Давление в полостях обтекателя и насадка - 5 автоматически уравновешивают с давлением внешней среде при помощи предохранительных клапанов 9 и 12 (при уменьшении глубины) и путем подачи сжатого воздуха (при увеличении глубины) из газового баллона 22 по сигналам от компенсационного механотрона 23. При превышении давления в полости обтекателя срабатывает предохранительный клапан - 12 и давление в полостях обтекателя и насадка - 5 уравновешивается. Аналогично с помощью предохранительного клапана - 9 уравновешивают давление в полости насадка (при увеличении глубины). Жидкость с некоторым объемом воздуха в полости насадка - 6 изолирована с помощью мембраны - 7 от воздушной среды компенсации давления при изменении глубины погружения. Этим достигают устранение нежелательных дополнительных помех в виде возможных пузырьков и струй над поверхностью раздела, которые могли бы возникнуть в жидкости, заполняющей полость насадка - 5, во время циклов упомянутой адаптации.
Предлагаемое гидрофизическое устройство обладает следующими основными параметрами:
масса с узлом крепления, не более, г
900
напряжение питания, В
6,3 и 12
чувствительность по току к
перемещениям, мкА/мкм
30
чувствительность по току к
силам, мкА/сН
не измерялась
энергопотребление, не более, Вт
7, в период адаптации
до 14
долговечность, ч
2000
Таким образом, предлагаемое гидрофизическое устройство отличается от всех существующих устройств измерения гидрологических характеристик жидкостей, предназначено для использования в системах обнаружения подводных целей типа ПДСС в условиях вибрационного воздействия корпуса корабля на заявляемое устройство за счет измерений структурных шумов, обусловленных упомянутыми вибрациями и их компенсации, что приводит к повышению точности измерения малых изменений импульса переноса, в условиях воздействия структурных шумов, и в конечном счете при работе в составе корабельных средств гидролокации к повышению вероятности обнаружения подводных целей типа ПДСС и повышению эффективности системы ближайшего рубежа охранения в целом.
Заявляемое гидрофизическое устройство технологично в изготовлении, в нем использованы элементы и узлы, серийно выпускаемые промышленностью. Изготовление составных элементов, например, узла крепления, насадка, вычитающего устройства не представляет технических трудностей.
Источники информации
4
1. Князюк А.Н., Скворцов В.В. Гидрофизический преобразователь.  Авт. свид. СССР №1841084, М.кл. G01L 7/02, дата приоритета 05.01.1987.