УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ДАВЛЕНИЙ НА КОРПУС СУДНА
DEVICE FOR DETERMINING THE WAVE PRESSURES ON THE SHIP'S HULL

Изобретение относится к океанологической технике, а именно к средствам мониторинга волновых нагрузок и может быть использовано для оценки волновых давлений при различных режимах эксплуатации судов.
Известным является прибор для измерения величины волнового давления, основным принципом работы которого является измерение деформации упругих элементов при воздействии на них волновых нагрузок (патент СССР, №129044, «Прибор для измерения величины волнового давления», 1960).
Недостатком известного прибора является низкая разрешающая способность прибора и сложность определения эпюры распределения волновых давлений.
Также известна измерительная панель ледового давления, основным принципом которой является измерение ледовых давлений при помощи пьезорезисторной молекулярной пленки с использованием полимера для редуцирования внешних нагрузок - прототип (патент RU 2559122 «Измерительная панель ледового давления на основе пьезорезисторной молекулярной пленки (варианты)», 2013).
Недостатком прототипа является его низкая чувствительность, обусловленная высокой жесткостью воспринимающих нагрузку элементов, что делает невозможным его применение для измерения волновых нагрузок, а также низкая разрешающая способность, обусловленная необходимостью обеспечивать прочность панели при воздействии ледовых давлений.
Цель изобретения состоит в повышении чувствительности измерительной панели и обеспечении возможности ее применения для измерения волновых нагрузок, увеличении разрешающей способности устройства для измерения эпюры волновых давлений.
9
Устройство для определения волновых давлений на корпус судна, выполненное в виде измерительной панели, содержит, по меньшей мере, один датчик давления, состоящий из герметичной полости в измерительной панели, воспринимающей внешние давления мембраны, наполнителя герметичной полости и чувствительного элемента - пьезорезисторной молекулярной пленки. В качестве наполнителя герметичной полости используется газообразная среда, а мембрана выполнена из материала с модулем упругости, не превышающим 10 Па.
Принципиальная схема измерительной панели представлена на рисунке (Фиг. 1). На измерительной панели 1, выполненной из металла, расположены датчики давления 2. Внутри датчиков давления расположен чувствительный элемент 3, в качестве которого используется пьезорезисторная молекулярная пленка. Сигнал от чувствительных элементов 3 отводится по специальным кабель-каналам 4. Измерительная панель 1 крепится на борте судна с наружной стороны таким образом, чтобы середина панели располагалась на уровне ватерлинии.
9
Устройство датчика давления 2 изображено на Фиг. 2. Датчик состоит из герметичной полости 5, воспринимающей внешние давления мембраны 6, наполнителя герметичной полости, чувствительного элемента 3 и кабель-каналов 4. Герметичная полость 5 расположена внутри измерительной панели 2. Со стороны, которая воспринимает волновые давления, датчик давления 2 имеет податливую стенку-мембрану 6, выполненную из материалов с низким значением модуля упругости (в диапазоне до 10 Па). На противоположной мембране стенке герметичной полости 5 расположен чувствительный элемент 3 с кабель-каналами 4. Герметичная полость 5 заполняется наполнителем, в качестве которого используется газообразная среда.
Устройство работает следующим образом. При воздействии внешней волновой нагрузки на измерительную панель 1 и, в частности, на датчик давления 2 происходит деформирование мембраны 6. При деформировании и прогибе мембраны внутренний объем газа в герметичной полости 5 уменьшается. Изменение внутреннего объема приводит к изменению внутреннего давления, что регистрирует чувствительный элемент 3 - пьезорезисторная молекулярная пленка. Сигнал изменения состояния чувствительного элемента передается по кабель-каналам 4.
В качестве чувствительного элемента в представленной панели используется пьезорезисторная молекулярная пленка. Основными особенностями такого элемента является высокая чувствительность на изменение давления, совмещенная с толщиной порядка 25÷30 мкм. Величина изменения давления определяется путем измерения внутреннего сопротивления чувствительного элемента. Использование в качестве чувствительного элемента пьезорезисторной молекулярной пленки позволяет создавать датчики малых размеров и высокой точности.
Воздействие волновых нагрузок на мембрану датчика давления вызывает деформацию мембраны. При деформировании изменяется объем и давление газа в герметичной полости. Поскольку изменение давление газа значительно меньше внешних волновых давлений (за счет накопления мембраной упругой энергии при деформировании), происходит редуцирование измеряемой нагрузки до диапазона чувствительности пьезорезисторной молекулярной пленки.
9
Минимальный размер герметичной полости датчика давления определяется податливостью мембраны и размерами чувствительного элемента. Подбор материала для мембраны осуществляется из расчета, что стрела прогиба при максимальных значениях волновых давлений не должна превосходить высоту (расстояния от мембраны до противоположной стенки герметичной полости) датчика давления. Также стрела прогиба должна быть такой, что изменение объема газа в герметичной полости повлекло бы такое изменение давления, которое мог бы зарегистрировать чувствительный элемент. Поэтому мембрана должна быть выполнена из материала с модулем упругости, не превышающим 10 Па. Минимальный размер герметичной полости по длине и ширине определяется размером чувствительного элемента. Использование пьезорезисторной молекулярной пленки позволяет существенно уменьшить размеры герметичной полости и, как следствие, существенно увеличить количество датчиков давления на измерительной панели и разрешающую способность в целом.
Количество, взаимное расположение и форма датчиков давления являются предметом варьирования в зависимости от требуемой разрешающей способности. Возможны варианты использования различной геометрии герметичных полостей в датчиках давления. Возможны варианты непрерывного заполнения поверхности измерительной панели датчиками давления либо на определенном расстоянии друг от друга. Общая площадь датчиков давлений может достигать 80% площади измерительной панели благодаря использованию тонких стенок между герметичными полостями. Это возможно вследствие низких требований к обеспеченности прочности измерительной панели для большинства значений волновых нагрузок. За счет утонения стенок (по отношению к прототипу) между соседними датчиками давления достигается увеличение разрешающей способности устройства для измерения эпюры волновых давлений.
Техническим результатом устройства является получение эпюры волновых давлений при различных режимах эксплуатации судов с существенно более высокой разрешающей способностью, чем в прототипе.