Корпус молекулярно-электронного датчика для работы в условиях пониженного давления

Область техники
Полезная модель относится к устройствам для измерений сейсмического или акустического сигналов, в том числе, в сейсморазведке, сейсмостойком строительстве, сейсмологии, охранных системах.
Уровень техники
Известен датчик для измерения параметров движения и волновых полей, принцип работы которого основан на явлении молекулярно-электронного переноса в твердотельно-жидкостных микроструктурах [1-5]. Преобразующий элемент такого датчика представляет собой систему электродов, погруженную в концентрированный раствор электролита. Состав электролита подбирается таким образом, что при приложенной разности потенциалов между электродами, на электродах протекают обратимые электрохимические реакции, создающие перенос электрического заряда через их поверхность, а значит межэлектродный ток. Отличительной особенностью рассматриваемых систем является сильная зависимость межэлектродного тока от скорости движения жидкости, что обеспечивает возможность создания высокочувствительных миниатюрных устройств для измерения параметров движения (молекулярно-электронных датчиков движения).
Работа чувствительного элемента основана на том, что скорость электрохимической реакции на электродах определяется скоростью доставки реагирующих компонентов к электродам. В неподвижной жидкости скорость доставки реагентов определяется диффузией. Если жидкость приходит в движение, то, наряду с диффузией, возникает конвективный перенос ионов, который резко изменяет скорость доставки реагирующих веществ к электродам и, соответственно, ток, протекающий через электроды чувствительного элемента. Возникающие изменения тока являются выходным сигналом преобразующего элемента. Такого типа преобразующий элемент носит название молекулярно-электронного преобразователя диффузионного типа.
Обычно преобразующий элемент выполняется в виде проницаемой для жидкости структуры, содержащей электроды и расположенной в канале, соединяющем две части корпуса преобразователя, заполненного рабочей жидкостью. Корпус конструируется таким образом, чтобы обеспечить перетекание рабочей жидкости через указанный канал под действием сил, создаваемых внешним механическим воздействием.
Наиболее распространенное устройство представляет собой цилиндрический или близкий к цилиндрическому корпус из инертного материала, заполненный рабочей жидкостью и разделенный на две части проницаемой для рабочей жидкости перегородкой [1, 6, 7]. В перегородку встраивается электрохимический чувствительный элемент, содержащий указанные выше электроды. Ось чувствительности такого датчика ориентирована, приблизительно, вдоль оси указанного цилиндра. Торцы цилиндра закрыты гибкими мембранами. Принцип действия датчика основан на том, что силы инерции, действующие вдоль оси цилиндра, создают перепад давления, обеспечивающий перетекание жидкости из одной половины корпуса в другую. Мягкость мембран обеспечивает малость возвращающей силы и, как следствие, высокую чувствительность датчика. В свою очередь, поток жидкости, через встроенный в перегородку чувствительный элемент создает выходной электрический сигнал. Технические решения, приведенные в [1, 6, 7] являются прототипами найденного технического решения.
Схематическое устройство всенаправленного, т.е. работающего в любой ориентации относительно силы тяжести, без изменения характеристик, сейсмического датчика показано на Фиг. 1. Именно такой датчик используется в составе донных сейсмических станций. Данный датчик является прототипом заявленного технического решения. Держатель с преобразующим элементом (1) размещается в корпусе цилиндрической формы (2), торцы которого закрыты резиновыми мембранами (3). Фланцы 4 с помощью винтов 5 прижимают кромки мембран к корпусу, обеспечивая герметичность внутреннего объема, заполненного рабочей жидкостью. [7]
Фотография датчика-прототипа приведена на Фиг. 2. Данное техническое решение имеет указанный выше недостаток, а именно, возможность образования воздушных пузырей в объеме рабочей жидкости при пониженном внешнем давлении. Данное техническое решение является ближайшим прототипом предлагаемого.
Важнейшим требованием к заполнению датчика рабочей жидкостью является отсутствие пузырей воздуха в объеме корпуса с рабочей жидкостью. Присутствие пузырей создает паразитную для сейсмического датчика чувствительность к температуре и давлению и влияет на частотные характеристики выходного сигнала.
При этом, даже если датчик при атмосферном давлении был заполнен без пузырей, возможно их образование при понижении внешнего давления. Дело в том, что внешнее давление, вследствие мягкости ограничивающих жидкость мембран, передается внутрь корпуса практически без изменения. Соответственно, при пониженном давлении растворенный в рабочей жидкости газ выделяется в виде пузырей. Процесс образования пузырей проявляется в выходном сигнале датчика в виде последовательности «всплесков» зашумляющих сейсмический сигнал.
Указанная проблема особенно значима при использовании молекулярно-электронных сейсмодатчиков в составе донных сейсмических станций. Значительная часть таких станций эксплуатируется при пониженном внутреннем давлении от 0,1 до 0,8 атм.
Практика показывает, что использование различных технологий обезгаживания рабочей жидкости имеет только частичный положительный эффект. Интенсивность газообразования при пониженном давлении действительно уменьшается, однако, исключить процесс газообразования полностью не удается.
Сущность полезной модели
Задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции корпуса молекулярно-электронного датчика движения, исключающей контакт гибких мембран с областью пониженного давления и исключающей образования воздушных пузырей в объеме корпуса с рабочей жидкостью при пониженном внешнем давлении.
Техническим результатом заявленного технического решения является исключение образования воздушных пузырей в объеме корпуса из газов, растворенных в рабочей жидкости, при пониженном внешнем давлении.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что корпус молекулярно-электронного датчика, содержащий оболочку, разделенную по высоте на две части держателем с преобразующим элементом, выполненным с выводными контактами; первую деформируемую мембрану, установленную герметично в оболочке с одной стороны от упомянутого держателя с преобразующим элементом; вторую деформируемую мембрану, установленную герметично в оболочке с другой стороны от упомянутого держателя с преобразующим элементом; при этом мембраны установлены с образованием внутреннего объема между собой, который заполнен рабочей жидкостью, причем дополнительно содержит первую герметичную крышку, расположенную с одного торца упомянутой оболочки и вторую герметичную крышку, расположенную с другого торца упомянутой оболочки, при этом первая герметичная крышка закрывает упомянутую первую деформируемую мембрану с образованием между ними отделенной от окружающего пространства воздушной полости, и вторая герметичная крышка закрывает упомянутую вторую деформируемую мембрану с образованием между ними отделенной от окружающего пространства воздушной полости.
В частном случае реализации технического решения в оболочке дополнительно выполнен канал, соединяющий указанные воздушные полости между собой.
В частном случае реализации технического решения в оболочке дополнительно выполнено два, соединяющих указанные воздушные полости между собой, канала.
В частном случае реализации технического решения указанная оболочка выполнена в форме цилиндра, по торцам которого размещены упомянутые герметичные крышки.
В частном случае реализации технического решения указанные крышки прижаты к оболочке через герметизирующую прокладку.
В частном случае реализации технического решения указанная оболочка выполнена из двух фланцев, соединенных в плоскости установки упомянутого держателя с преобразующим элементом.
В частном случае реализации технического решения на плоскости, по которой происходит соединение фланцев, размещена дополнительная герметизирующая прокладка, обеспечивающая отделение внутреннего объема указанного канала от окружающего пространства.
В частном случае реализации технического решения упомянутые герметизирующие прокладки выполнены из резины, паронита или силиконового герметика.
В частном случае реализации технического решения в качестве рабочей жидкости использована рабочая жидкость, прошедшая процедуру предварительного обезгаживания.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 – схематическое устройство всенаправленного, т.е. работающего в любой ориентации относительно силы тяжести, без изменения характеристик, сейсмического датчика, прототипа, описанного в [7];
Фиг.2 – внешний вид молекулярно-электронного датчика, в корпусе, являющимся прототипом технического решения, описанного в [7];
Фиг.3 – конструкция корпуса молекулярно-электронного датчика по настоящему техническому решению;
Фиг. 4. Вариант корпуса молекулярно-электронного датчика по настоящему техническому решению, содержащего два канала, соединяющих воздушные полости.
Фиг.5 – внешний вид молекулярно-электронного датчика, представляющего пример реализации полезной модели;
Фиг.6 – выходной сигнал молекулярно-электронного датчика, помещенного в вакуумную установку, при образовании воздушного пузыря из растворенных газов;
Фиг.7 – выходной сигнал молекулярно-электронного датчика, использующего найденное техническое решение, помещенного в вакуумную установку.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 – держатель с преобразующим элементом; 2 – корпус; 3 – резиновая мембрана; 4 – фланец; 5 – винт; 6 – нижняя крышка; 7 – верхняя крышка; 8 – канал; 9 – герметизирующая прокладка; 10 – воздушные полости.
Раскрытие полезной модели
Конструкция корпуса молекулярно-электронного датчика, представляющего найденное техническое решение: показано на Фиг. 3.
Корпус молекулярно-электронного датчика содержит оболочку, разделенную по высоте на две части держателем с преобразующим элементом, выполненный с выводными контактами.
Оболочка корпуса выполнена из двух фланцев (4), соединенных между собой в плоскости установки держателя с преобразующим элементом (1), при этом держатель с преобразующим элементом (1) размещен между двумя резиновыми мембранами (3). Фланцы 4 с помощью винтов (5) прижимают кромки мембран к поверхности держателя преобразующего элемента, обеспечивают герметичность внутреннего объема, заполненного рабочей жидкостью.
Фланцы, совместно с мембранами образуют оболочку, ограничивающую объем, занятый рабочей жидкостью.
Дополнительно в конструкции датчика включены крышки (6 и 7), которые совместно с герметичными уплотняющими элементами (9) исключают контакт мембран, ограничивающих объем рабочей жидкости с окружающей средой.
При этом герметичная крышка (6) расположена с торца одного упомянутого фланца (4), а герметичная крышка (7) расположена с торца другого упомянутого фланца (4). Таким образом герметичные крышки (6 и7) расположены с каждого торца упомянутой оболочки корпуса, образованного упомянутыми фланцами.
При этом герметичная крышка (6) закрывает одну деформируемую мембрану (3) с образованием между ними отделенной от окружающего пространства воздушной полости (10), и вторая герметичная крышка (7) закрывает вторую деформируемую мембрану (3) с образованием между ними отделенной от окружающего пространства воздушной полости (10).
Указанные крышки (6 и 7) прижимаются к фланцам (4) через герметизирующую прокладку (9), изготовленную из резины, паронита, или силиконового герметика.
Во фланцах (4), представляющих оболочку датчика, изготовлен канал (8), соединяющий воздушные полости (10) образованные между упомянутыми крышками (6 и 7) и упомянутыми мембранами (3).
Как вариант, возможно изготовление нескольких каналов, соединяющих воздушные полости. Пример конструкции, содержащей два канала показан на Фиг. 4. Канал (8) предназначен для выравнивания давления по разным сторонам сейсмодатчика и снижает чувствительность выходного сигнала прибора к внешним вариациям давления и температуры. Для герметизации канала в области стыка фланцев устанавливаются дополнительные уплотняющие элементы, например, герметизирующая прокладку (9), изготовленная из резины, паронита, или силиконового герметика.
На практике целесообразным является использование представленного корпуса специальной конструкции совместно с применением предварительно обезгаженного раствора электролита.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Фотография сейсмического датчика, представляющего пример реализации полезной модели приведена на Фиг. 5. Для проверки эффективности найденного решения были проведены следующие эксперименты.
Предварительно проверенный в условиях атмосферного давления сейсмодатчик со снятыми крышками (6 и 7), и уплотняющими элементами (9) был помещен в вакуумную камеру, из которой был откачан воздух. Данные непрерывно регистрировались. Пример полученных сейсмограмм представлен на Фиг. 6. Как видно из представленного рисунка форма сигнала искажена многочисленными выбросами, являющимися проявлением образования пузырей в рабочей жидкости и их всплытия в поле тяжести.
Затем, аналогичный эксперимент был проведен с закрытыми крышками (6 и 7), и установленными уплотняющими элементами (9), а также с применением жидкости, подвергнутой дополнительной процедуре обезгаживания в вакууме при повышенной температуре электролита. Результат представлен на Фиг. 7.
Из представленного рисунка видно отсутствие выбросов, связанных с образованием и перемещением газовых пузырей. Таким образом, найденное техническое решение действительно снижает шум и стабилизирует параметры датчика в условиях работы при пониженном внешнем атмосферном давлении.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Введение в молекулярную электронику, под ред. Н.С.Лидоренко, М.: Энергоатомиздат, 1984, 320 c.
2. Авторское свидетельство СССР № 197195, кл. 42с, 26/01, 1967г.;
3. Патент США № 3374403, кл. 317-231, 1968 г.;
4. H. Huang, V. Agafonov, and H. Yu, “Molecular electric transducers as motion sensors: a review.,” Sensors (Basel)., vol. 13, no. 4, pp. 4581–4597, Jan. 2013.
5. Патент США № 6576103 B2, G01P 15/08, 2002 г.;
6. Патент РФ на полезную модель №114374, 2012 г.
7. V. M. Agafonov, I. V. Egorov, and A. S. Shabalina, “Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback,” Seism. Instruments, vol. 50, no. 1, pp. 1–8, 2014.