УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ПОПАДАНИЙ В ЦЕЛЬ

1. Область техники, к которой относится полезная модель.
Устройство относится к стрельбищному и полигонному оборудованию, а именно к устройствам (системам) регистрации попаданий в цель (мишень).
Согласно международному патентному классификатору (МПК 8) группу полезных моделей можно отнести к области техники по разделу F "Оружие и боеприпасы", подклассу F41J 5/056 "Системы определения попаданий, срабатывающие при механических колебаниях мишени в результате попаданий, с использованием датчиков вибрации или удара".
Группа полезных моделей относится к техническому решению, относящемуся к устройству, основное назначение которого - регистрация факта попадания пули (снаряда) в цель (мишень).
Перечень обобщенных понятий, примененных в описании (Большой энциклопедический словарь и словарь Ушакова):
"Источник тока - устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. Условно, различают химические источники тока, в которых электроэнергия вырабатывается в результате окислительно-восстановительной реакции (гальванические элементы), и физические источники тока, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую (электромагнитные генераторы, термоэлектрические генераторы, солнечные и ядерные батареи и др.). Химические источники тока делятся на первичные (гальванические элементы и батареи из них), вторичные (электрические аккумуляторы и аккумуляторные батареи) и топливные элементы";
"Линия связи - совокупность технических устройств и физической среды, обеспечивающая передачу и распространение сигналов от передатчика к приемнику.
Составная часть канала электросвязи. В системах многоканальной связи уплотняется и принадлежит одновременно многим каналам. По физической природе передаваемых сигналов различают электрические (проводные и радио), акустические и оптические линии связи;
"Преобразователь - преобразователя, 2. Прибор для превращения, преобразования одного вида тока в другой (физ., тех.);
«Аттенюатор - (от франц. attenuer - ослаблять). Радиотехническое устройство (напр., в виде волновода или электрической цепи из резисторов) для понижения напряжения или мощности сигнала. "Интеграция лат.integratio - восстановление, восполнение, от integer - целый), 1) понятие, означающее состояние связанности отдельных дифференцированных частей и функций системы, организма в целое, а также процесс, ведущий к такому СОСТОЯНИЮ...2) Процесс сближения...
"Дифференциация - (франц. differentiation, от лат.differentia - разность, различие), разделение целого на различные части, формы и ступени...
"Соединение - соединененное, 1. только ед. Действие по глаг.соединить - соединять и соединиться - соединяться. 2. Место, где что-н. соединено. 3. Связь, сочетание, объединение чего-н. в одном";
"Соединить - соединю, соединишь, сов. (к соединять). 1. кого-что. Составить из чего-н. одно целое, объединить, собрав. 2. что. Скрепить одно с другим, связать вместе. 3. кого-что чем. Установить сообщение, связь, привести к единению посредством чего-н";
"Установка - устройство, механизм, установленный на надлежащем месте";
"Пульт управления - устройство в виде стола, колонки, стенда и т.д. с размещенными на его лицевых частях (панелях) органами управления, средствами отображения информации... ";
2. Уровень техники.
Из уровня техники по Европейской поисковой системе EPO-espacenet, Американской USPTO и платной базе ФИПС, наиболее близким аналогом (прототипом) является "Устройство регистрации попаданий в цель", патент
№SU - 1813290 A3, МПК F41J 5/06, с датой приоритета 29.04.1991 г.(прилагается).
4.2. Прототип имеет следующие функциональное построение (фиг.1):-
- щит мишени 2
- датчик регистрации колебаний 3, установленный на мишени
- мишенная установка 1 (с механизмом подъема/опускания и/или поворота мишени), в которую установлен щит мишени 2
- блок управления 11 (электроблок, контроллер) мишенной установкой, управляющий механизмом подъема/опускания и/или поворота мишени (исполнительным устройством);
- модуль реагирования 4 в который входят:
- усилитель сигналов 5 поступающих с датчика регистрации колебаний 3
- фильтр частотный 6, вход которого соединен с выходом усилителя 5, а выход с детектором 7
- детектор 7, выход которого соединен с входом порогового элемента 8
- пороговый элемент 8, выход которого соединен с входом формирователя импульсов 9
- формирователь (расширитель) импульсов 9, выход которого соединен с управляющим входом ключа 10
- ключ 10
- выпрямительный мост 12, выход которого соединены с выходом ключа 10 и входом электроблока мишенной установки 11
- токоограничивающий резистор 13 и накопитель электрической энергии 14, подключенный между положительной и отрицательной шинами электропитания модуля реагирования 4, причем его отрицательная шина соединена с отрицательным потенциалом источника электрической энергии, а положительная через токоограничивающий резистор 13 с положительным потенциалом источника электрической энергии схемы реагирования электроблока мишенной установки 11.
Устройство работает следующим образом. При попадании в мишень пули или снаряда датчик колебания формирует электрический сигнал определенного уровня, который через усилитель, частотный фильтр и детектор приложен к входу порогового элемента. Пороговый элемент формирует на своем выходе сигнал в случае достижения сигнала от датчика определенного уровня. Выходной сигнал порогового элемента запускает расширитель импульса (одновибратор), который через ключ воздействует на контроллер мишенной установки (исполнительного устройства), тем самым регистрируется факт поражения мишени. Источник тока выполнен в виде накопителя электрической энергии, заряд - подзаряд которого осуществляется от источника тока контроллера мишенной установки напрямую, или через выпрямительный мост и токоограничивающий резистор.
В результате длительной эксплуатации такого устройства в войсках выявлены его существенные недостатки, а именно:-
- низкая надежность при перепадах температур, особенно высоких, которая, прежде всего, обусловлена не стабильностью выходного напряжения источника тока при высоких температурах, что приводит к отказу в работе устройства в целом;
- низкая помехозащищенность, обусловленная, прежде всего наведенными электромагнитными помехами от электропривода мишенной установки, особенно на участке между датчиком и входом усилителя модуля реагирования в случае значительного удаления датчика от модуля реагирования;
- незащищенность датчика колебаний от попаданий пуль или осколков вслествие того, что он размещен непосредственно на мишени;
- невозможность длительное время использовать датчик и модуль реагирования без мишенной установки (внешнего источника тока).
3. Раскрытие полезной модели.
К сходным существенным признакам прототипа и рассматриваемой группы полезных моделей можно отнести: -
- мишень, является существенным признаком т.к. без нее устройство теряет свое предназначение;
- держатель мишени, существенный признак т.к. без него снижаются эксплуатационные свойства устройства (надежность и удобство в эксплуатации). Без него, мишень, каким-то образом надо было бы крепить, например, к поворотному валу мишенной установки или другому устройству в котором она используется. В некоторых случаях датчик колебаний размещается именно на нем. В некоторых случаях можно обойтись и без держателя, например, мишень устанавливается непосредственно на земле. В этом случае держатель является не существенным признаком.
- датчик колебаний (далее по тексту «датчик») - устройство, преобразующее механические колебания мишени, под воздействием пули, снаряда, осколков и т.п., в электрический сигнал. Датчик, является существенным признаком, без которого устройство теряет свою работоспособность. Центральным звеном любого датчика является чувствительный элемент - устройство, преобразующее механический удар в электрический сигнал. В зависимости от типа чувствительного элемента различают электромагнитные, микрофонные и пьезокерамические датчики (датчики удара, тензодатчики, вибраций, ускорений, смещений и т.п.). Существуют и другие чувствительные элементы: светодиод в упругом подвесе в паре с фотоприемником; на эффекте Холла и т.д., но они не нашли широкого применения в датчиках колебаний. Например, при ударе пули по мишени, постоянный магнит, закрепленный к металлической пружине, начинает колебаться. Эти колебания вызывают в многовитковой катушке электрический сигнал. По величине сигнала и происходит классификация удара на сильный и слабый. В датчиках пьезокерамического типа чувствительный элемент - пьезопластина с дополнительным грузом. Такой чувствительный элемент практически не подвержен влиянию электромагнитных помех. В датчике с электретным микрофоном на сам микрофон надевается резиновый колпачок с латунным грузом. Микрофон здесь служит для измерения давления воздушного столба под грузом. Это давление изменяется
при колебаниях груза, вызванных ударом по мишени. Конструкция чувствительного элемента позволяет избежать влияния внешних акустических помех;
- пороговый элемент является существенным признаком т.к. именно он определяет силу удара (селективность, чувствительность, избирательность).
- источник тока, в любом случае является существенным признаком т.к. непосредственным образом влияет на работоспособность рассматриваемого устройства;
- исполнительное устройство, в любом случае является существенным признаком т.к. именно с помощью его визуально, или звуковым сигналом (в исключительных случаях запахом или осязанием), регистрируется (определяется) факт поражения мишени. Исполнительными устройствами могут быть всевозможные пиротехнические средства имитации, электрические лампочки, светодиоды. мишенные установки, электромагнитные расцепные устройства, пульты управления и т.п.
- линия связи, в любом случае является существенным признаком т.к. именно с помощью ее осуществляется передача сигнала о поражении мишени от модуля реагирования устройства до исполнительного устройства.
- корпус модуля реагирования устройства в одном случае является существенным признаком, когда, например, используются составные части модуля реагирования в исполнении, не позволяющим их эксплуатацию при воздействии атмосферных осадков. В другом случае не существенным, когда составные части модуля реагирования устройства имеют всепогодное исполнение. В некоторых случаях модуль реагирования может размещаться непосредственно в корпусе исполнительного устройства;
Сущностью рассматриваемых полезных моделей (вариантов) является решение задачи расширения арсенала технических средств определенного назначения (регистрация попаданий в цель), а технический результат заключается в реализации этого назначения.
Под задачей расширения арсенала технических средств определенного назначения понимается задача создания устройств (вариантов), предназначенных для определенной области применения (F41J 5/056 "Системы определения попаданий, срабатывающие при механических колебаниях мишени в результате попаданий, с использованием датчиков вибрации или удара") и характеризующихся новой совокупностью существенных признаков, определяющих их назначение (регистрация попаданий в цель).
Из приведенных на фиг.3 реальных диаграмм сигналов полученных от датчика удара (опытного образка устройства), расположенного на мишени, при ударе в мишень металлических шариков массой в 90 грамм, 60 г. и 30 г. соответственно, наглядно видно, что амплитуда и период пачки выходных импульсов датчика пропорциональны силе удара, соизмеримой произведению массе шарика на скорость его движения.
Наиболее простой, в аппаратной реализации, и относительно дешевой, является селекция выходного сигнала датчика по амплитуде и длительности колебаний, возникающих в мишени.
В первой полезной модели, как варианта исполнения устройства, используется способ селекции выходного сигнала датчика по амплитуде, как в прототипе, в которой модуль реагирования подвергнут определенным конструктивным изменениям.
Первую полезную модель (фиг.2) можно выразить независимым пунктом формулы (п.1).
В ограничительной части формулы, как альтернатива, указано «один или несколько датчиков колебаний» в связи с тем, что на практике, если мишень имеет большие габариты, или состоит из нескольких частей, то на ней устанавливаются более одного датчика.
При эксплуатации прототипа в различных климатических условиях, при температуре окружающей среды от минус 40 до плюс 50 градусов Цельсия, была выявлена не стабильная работа устройства, выразившаяся в несрабатывании (или ложном срабатывании от камней) устройства при попадании в
мишень пули. Анализ схемотехники построения устройства показал, что это обусловлено нестабильностью питающего напряжения модуля реагирования от температуры окружающей среды. Тем самым изменялся порог срабатывания порогового элемента, который и приводил к таким последствиям. Введение в модуль реагирования источника опорного напряжения (ИОН), выходное напряжение которого не значительно зависит от входного питающего напряжения модуля реагирования и перепадов температур окружающей среды позволило исключить вышеуказанный недостаток. При этом выход ИОН подключался к одному из входов порогового элемента, в виде компаратора напряжения и ко входу аттенюатора. Исходя из этого, наличие в модуле реагирования ИОН можно считать существенным признаком устройства, необходимым и достаточным для стабильной работе и избирательности устройства в целом в широком диапазоне температур окружающей среды.
Использование в качестве датчика колебаний различных устройств показало, что амплитуда выходного сигнала датчика может достигать нескольких вольт. Например, пьезодатчик, используемый в опытном образце и установленный на мишени, при попадании в мишень пули формирует выходной сигнал, достигающий уровня напряжения более 15 вольт, а при использовании электретного микрофона до 1 вольта. Т.е. датчиком формируется выходной сигнал вполне достаточный для обработки его пороговым элементом напрямую, без какого либо усиления. Из чего можно сделать вывод что усилителя сигнала (как в прототипе) не является существенным признаком. Регулирование выходного сигнала от датчика можно изменять путем введения аттенюатора в модуль реагирования устройства.
Функция аттенюатора может быть реализована в виде резистивного делителя напряжения, переменного резистора, управляемого напряжением электронного резистора, и т.п. Функцию источника опорного напряжения ИОН может выполнять стабилизированный источник напряжения, выполненный как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении. Многие интегральные микросхемы имеют в своем составе ИОН.
В отличие от прототипа из рассматриваемого устройства исключен детектор сигнала т.к. он не является существенным признаком в связи с тем, многие конструкции пороговых элементов, как собранные на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении обрабатывают и формируют сигналы и однополярные и двуполярные
В частном случае, в выходном сигнале датчика (из-за резонансных колебаний мишени в различных плоскостях) могут присутствовать несколько импульсов (фиг.5), по значению амплитуды выше порога срабатывания порогового элемента (из-за резонанса мишени в различных плоскостях). В этом случае исполнительное устройство может зарегистрировать несколько ложных попаданий в мишень. Или, как было сказано выше, в качестве исполнительного устройства могут использовать различные устройства, срабатывание которых может зависеть от длительности выходного сигнала порогового элемента. Например, лампы накаливания или детонатор пиротехнического устройства и т.п. Чтобы исключить эти явления, в частном случае, в модуль реагирования введен расширитель импульсов, вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход с линией связи. Расширитель импульсов может размещаться в модуле реагирования устройства или непосредственно в исполнительном устройстве. В качестве порогового элемента и расширителя импульсов можно использовать, например, триггер Шмидта, который одновременно является и пороговым элементом и расширителем импульсов.
Этот частный случай можно выразить зависимым пунктом формулы (2).
В макетном образце устройства, в случае использования в качестве датчика колебаний акселерометра, который на собственной резонансной частоте (фиг.4) имеет выходной сигнал соизмеримый или выше полезного сигнала, определяющего попадания пули в мишень, был введен фильтр нижних частот (или полосовой, режекторный), который исключил такой неприятный момент. Исходя из этого, в частном случае, введение в модуль реагирования частотного фильтра, вход которого соединен с выходом датчика, а выход с входом аттенюатора, является существенным признаком.
При работе в области низких частот можно нежелательные влияния высокочастотных колебаний резонанса акселерометра устранить при помощи механических фильтров. Механические фильтры состоят из упругого материала, например резины. Эти фильтры устанавливаются между поверхностью мишени и основанием акселерометра с целью уменьшения верхнего предела рабочего частотного диапазона до полосы 0,5-5 кГц.
Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.3).
При эксплуатации устройства в установке появляющейся мишени вертолета (УПМВ), состоящей из механизма подъема щита мишени вертолета на высоту более 10 метров, приходилось датчик регистрации колебаний щита мишени устанавливать непосредственно на мишени, а модуль реагирования располагать внизу, за защитным бруствером. В этом случае сигнал от датчика до модуля реагирования передавался по проводу (кабелю) длиною более 10 метров. В этом случае наблюдались ложные срабатывания модуля реагирования от наведенных в этом проводе сигналов от электропривода механизма подъема мишени вертолета. Введение на входе модуля реагирования шунтирующего резистора, а также использование соединительной линии в виде витой пары исключило этот недостаток. Исходя из этого, в частном случае, можно считать введение шунтирующего резистора на входе модуля реагирования, а использование соединительной линии в виде витой пары существенным признаком устройства.
Этот частный случай применения устройства можно выразить зависимым пунктом формулы (п.4).
В частном случае, когда модуль реагирования соединен с исполнительным устройством, имеющим свой источник тока, передача сигнала с выхода модуля реагирования и его электропитание от источника тока исполнительного устройство осуществляется по трех проводной линии. С целью сокращения проводов электропитание модуля реагирования и передача сигналов от датчика осуществляется по двухпроводной линии связи, аналогично как в прототипе.
Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы:
В частном случае, например, когда датчик колебаний выполнен в интегральном исполнении, он может размещаться на печатной плате модуля реагирования устройства.
Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.6).
В частном случае, с целью исключения прямого попадания пули (снаряда) в датчик колебаний, его устанавливают на одном конце пластины определенной длины, второй конец которой крепится к мишени. Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.7).
Во второй полезной модели, как варианта исполнения устройства, использован способ селекции по формируемой при попадании пули (снаряда) в мишень длительности пачки выходных импульсов датчика колебаний, которая, как и в первой полезной модели соизмерима произведению массы пули (снаряда) на ее скорость.
Такую полезную модель (фиг.6) можно выразить независимым пунктом формулы (п.8).
Интегратор может быть выполнен как в виде интегрирующей RC цепочки (фиг.7, фиг.9), так и интегратора в виде, например, счетчика импульсов (фиг.8) в интегральном исполнении и т.п.
В случае использования в устройстве датчика колебаний, например, в виде виброконтакта (фиг.9), на выходе которого формируются сигналы прямоугольной формы определенной амплитуды, в устройство введен дифференциатор (дифференцирующая цепочка), вход которого соединен с выходом датчика, а выход с входом интегратора (фиг.7).
Данный случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.9).
В случае использования в устройстве датчика колебаний, амплитуда выходных сигналов которого значительна, а в некоторых случаях превышает питающее напряжение модуля реагирования устройства, в него введен ограничитель импульсов по амплитуде, вход которого соединен с выходом датчика, а выход с входом интегратора.
Данный случай (фиг.8, фиг.9-а) можно выразить зависимым пунктом формулы (п.10).
В частном случае, для стабильной работы устройства в широком диапазоне температур окружающей среды в него введен источник опорного напряжения, вход которого соединен с источником тока, а выход с пороговым элементом и входом интегратора. Данный случай (фиг.9-в) можно выразить зависимым пунктом формулы (п.11).
В частном случае, когда в качестве исполнительного устройства могут использоваться различные устройства, срабатывание которых может зависеть от длительности выходного сигнала порогового элемента, например, лампы накаливания или детонатор пиротехнического устройства и т.п., в модуль реагирования введен расширитель импульсов, вход которого соединен с выходом порогового элемента, а выход с линией связи. Расширитель импульсов может размещаться в модуле реагирования или непосредственно в исполнительном устройстве. Этот частный случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.12).
В частном случае, когда датчик регистрации колебаний мишени установлен непосредственно на мишени, а модуль реагирования устройства расположен на некотором удалении от него и соединен с ним проводной линией, с целью устранения наводок в проводе от расположенных вблизи электротехнических устройств, выход датчика зашунтирован резистором, а проводная линия связи выполнена витой парой. Этот частный случай применения устройства можно выразить зависимым пунктом формулы (п.13).
В частном случае, когда модуль реагирования соединен с исполнительным устройством, имеющим свой источник тока, передача сигнала с выхода модуля реагирования и его электропитание от источника тока исполнительного устройство осуществляется по трех проводной линии. С целью сокращения проводов электропитание модуля реагирования и передача сигналов осуществляется по двухпроводной линии связи, аналогично как в прототипе.
Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.14).
В частном случае, например, когда датчик колебаний выполнен в интегральном исполнении, он может размещаться на печатной плате модуля реагирования устройства.
Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.15).
В частном случае, с целью исключения прямого попадания пули (снаряда) в датчик колебаний, его устанавливают на одном конце пластины определенной длины, второй конец которой крепится к мишени. Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.16).
В частном случае, когда мишень больших габаритов, или состоит из нескольких частей, на мишень, или ее составные части устанавливается один или несколько датчиком колебаний. При этом используется несколько модулей реагирования устройства, входы которых соединены соответственно с выходами своих датчиков (фиг.10). В этом случае выходы модулей реагирования соединены с линией связи или исполнительным устройством по схеме ИЛИ. Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.17).
В третьей полезной модели, как варианта исполнения устройства, в модуль реагирования введен физический источник тока, соединенный с источником тока модуля реагирования, при этом источник тока модуля реагирования выполнен в виде химического источника тока, или химического источника тока и/или накопителя электрической энергии. Этот случай можно выразить независимым пунктом формулы (п.18).
Если выходные параметры физического источника тока отличаются от номиналов источника тока модуля реагирования, первый соединен со вторым через преобразователь напряжения (тока). Такой вариант исполнения устройства можно выразить зависимым пунктом формулы (п.19).
В частном случае, для исключения прямого попадания пули (снаряда) в датчик колебаний, его устанавливают на одном конце пластины определенной длины, второй конец которой крепится к мишени. Данная пластина (как в первой и во второй полезной модели) одновременно играет роль резонатора (механического усилителя). Т.е. если датчик колебаний по своей конструкции,
при определенном уровне колебаний мишени, имеет очень низкий уровень выходного сигнала, указанная пластина является как-бы механическим усилителем колебаний мишени, передаваемых на датчик. Этот случай можно выразить зависимым пунктом формулы (п.20).
4. Осуществление полезной модели.
Были проведены испытания макетных образцов устройства регистрации попаданий в цель, которые с положительными результатами прошли полевые испытания. Полезные модели в основном состоит из блоков и узлов, заимствованных из устройств, относящихся к другой области техники. Которые на протяжении длительного срока успешно эксплуатируются в промышленности и возможность их использования в рассмотренных полезных моделях, для специалиста, не вызывает сомнений.
Вывод. Описанное выше устройства и варианты его исполнения можно отнести к "полезным моделям" т.к. они соответствует всем критериям оценки полезной модели, а именно: -
- относятся к устройству;
- являются новыми т.к. по уровню техники, в области техники, к которому они относятся, не выявлены устройства, которые бы по совокупности своих существенных признаков были идентичны рассматриваемым, включая характеристику по назначению;
- устройство   является промышленно применимой.