УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА КРЕНА ИЛИ ДИФФЕРЕНТА ПЛАВУЧЕГО СРЕДСТВА НА ВОЛНЕНИИ
INSTRUMENT TO MEASURE SHIP ROLL AND PITCH IN SEA MOTIONS

Изобретение относится к области судостроения, в частности к средствам измерения крена или дифферента плавучих средств как в условиях волнения и качки, так и на спокойной воде, включая аварийные ситуации.
Известно устройство для измерения угла крена или дифферента плавучего средства на волнении (см. изобретение по патенту РФ №2277057), принятое в качестве прототипа, содержащее сообщенные между собой сосуды, выполненные в виде участков трубчатого кольцевого канала, образованного вращением контура плоской фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и не пересекающей ее, которые герметично сообщены в своих верхних и нижних частях, при этом сосуды частично заполнены электропроводной жидкостью, находящейся в районе уровня горизонтальной плоскости, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал, причем сосуды, имеющие по длине постоянное поперечное сечение, имеют симметричную форму контура плоской фигуры этого сечения относительно осей симметрии, например круга, дроссель, датчик угла, электронный преобразователь и шкалу. При этом датчик угла образован участками трубчатого кольцевого канала, выполненными из электропроводящего материала, внутренняя поверхность которых равномерно покрыта несмачиваемым диэлектриком и электропроводной жидкостью с находящейся над ней, не смешиваемой с последней диэлектрической жидкостью, которой полостью заполнено герметичное пространство над электропроводной жидкостью, причем участки трубчатого кольцевого канала в своей верхней части сообщены между собой через дроссель, при этом электронный преобразователь электрически соединен порознь с каждым из электрически разделенных между собой электропроводящих участков трубчатого кольцевого канала и с электропроводной жидкостью.
В указанном устройстве при его наклонении (в плоскости измерения угла крена или дифферента, а также для обеспечении точности и быстродействия такого измерения) необходимо, чтобы весь объем содержащихся в нем электропроводной и диэлектрической жидкостей без значительной задержки переместился в кольцевом канале (вдоль круговой оси этого канала) в новое положение, при котором плоскости поверхностей раздела этих жидкостей в каждом из участков трубчатого кольцевого канала в идеале совпадут с горизонтальной плоскостью, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал. Однако при этом внешнее трение между всеми поверхностями кольцевого канала и соприкасающимися с ними электропроводной и диэлектрической жидкостями, а также внутреннее трение между слоями этих жидкостей по всей длине кольцевого канала не дают возможности без задержки перемещаться в кольцевом канале поверхностям раздела данных жидкостей в указанное новое положение. Это снижает точность и быстродействие работы устройства.
Также при изменении температуры окружающей среды (особенно в аварийных условиях) и соответственно изменении температуры данного устройства в нем будут расширяться или сжиматься электропроводная и диэлектрическая жидкости. Это может привести к деформации отдельных элементов устройства, изменению положения уровня поверхностей раздела указанных жидкостей в кольцевом канале относительно горизонтальной плоскости, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал, и соответственно к дополнительному снижению точности, а также к снижению надежности работы этого устройства.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности, быстродействия и надежности работы устройства в эксплуатационных и аварийных условиях.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве в датчике угла, образованном участками трубчатого кольцевого канала, в этих участках со стороны оси, вокруг которой образован кольцевой канал, симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, в электропроводящем материале и в несмачиваемом диэлектрике выполнены сквозные щели, охватывающие пределы перемещения границ раздела электропроводной и диэлектрической жидкостей, при этом каждая из щелей в диэлектрике одного участка трубчатого кольцевого канала герметично сообщена со щелью в диэлектрике другого участка трубчатого кольцевого канала преимущественно с помощью плоских мембран из несмачиваемого диэлектрика, размещенных параллельно и симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала.
Выполнение в таком виде датчика угла позволяет сохранить линейную зависимость изменения электрического сигнала от изменения угла наклонения, широкий диапазон измерения этих углов, сохранить надежность работы при ударах и вибрации, существенно повысить точность и быстродействие работы устройства в статике и в динамике, а также позволяет повысить надежность работы устройства в аварийных ситуациях - при повышенных и пониженных температурах. При этом выполнение сквозных щелей в участках трубчатого кольцевого канала, в которых со стороны оси, вокруг которой он образован, симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, в электропроводящем материале и в несмачиваемом диэлектрике, в пределах перемещения границ раздела электропроводной и диэлектрической жидкостей, а также герметичное сообщение каждой из щелей в диэлектрике одного участка трубчатого кольцевого канала со щелью в диэлектрике другого участка трубчатого кольцевого канала позволяет обеспечить при наклонении устройства (в плоскости измерения угла крена или дифферента) переток электропроводной и диэлектрической жидкостей не только по кольцевому каналу, где велико отрицательное влияние внешнего и внутреннего трения на точность и быстродействие устройства, но и через щели и пространство между мембранами. При этом прямой переток избытка диэлектрической жидкости из одного участка трубчатого кольцевого канала (через щели и пространство между мембранами) осуществляется в другой участок трубчатого кольцевого канала над общей поверхностью раздела указанных жидкостей в одном горизонтальном направлении, а одновременно из последнего в первый участок трубчатого кольцевого канала осуществляется переток (через щели и пространство между мембранами) электропроводной жидкости в другом горизонтальном направлении под общей поверхностью раздела указанных жидкостей.
Наличие в устройстве мембран из диэлектрика, размещенных параллельно и симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, а также использование электропроводной и диэлектрической жидкостей с близкими по величине коэффициентами объемного расширения при изменении температуры окружающей среды позволяет при изменении объема этих жидкостей (в пределах упругой деформации указанных мембран) избежать существенного изменения давления внутри кольцевого канала и соответственно избежать деформаций отдельных элементов устройства, а также избежать существенного изменения уровня поверхности раздела указанных жидкостей.
При этом сохранится минимальное влияние углов дифферента и качки при измерении углов крена, а также сохранится минимальное влияние углов крена и качки при измерении углов дифферента.
Участки трубчатого кольцевого канала, выполненные из электропроводящего материала с диэлектрическим покрытием, совместно с электропроводной и диэлектрической жидкостями образуют конденсаторы переменной емкости, емкость которых изменяется от измеряемого угла наклонения.
Электронный преобразователь, электрически соединенный порознь с каждым из электрически разделенных между собой электропроводящих участков трубчатого кольцевого канала и с электропроводной жидкостью, обеспечивает преобразование разности емкостей указанных конденсаторов в линейный электрический сигнал.
Результаты измерений углов в статике и в динамике и их сравнение с использованием двух вариантов устройства (прототипа и предлагаемого) показали многократное преимущество (в части точности и быстродействия) предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для измерения угла крена или дифферента плавучего средства на волнении. На фиг.2 показан разрез по А-А устройства, представленного на фиг.1.
Устройство состоит из герметично сообщающихся в верхней части через дроссель 1 сосудов 2 и 3, выполненных из электропроводящего материала в виде участков трубчатого кольцевого канала, внутренняя поверхность которых равномерно покрыта несмачиваемым диэлектриком 4 (например, фторопластом), которые также герметично сообщены между собой в своей нижней части и разделены между собой электрически в своих верхних и нижних частях (причем дроссель 1 может быть выполнен, например, в виде вставки в кольцевой канал). При этом в сосудах 2 и 3, выполненных в виде участков трубчатого кольцевого канала со сквозными щелями 5 в электропроводящем материале и щелями 6 в несмачиваемом диэлектрике 4, каждая из щелей 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 одного участка трубчатого кольцевого канала герметично сообщена со щелью 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 другого участка трубчатого кольцевого канала преимущественно с помощью плоских мембран 7 из несмачиваемого диэлектрика. В сосуды 2 и 3, а также в сообщающееся с ними через щели 6 пространство между мембранами 7 частично залита электропроводная жидкость 8 с находящейся над ней, несмешиваемой с последней, диэлектрической жидкостью 9, которой полностью заполнено герметичное пространство над электропроводной жидкостью 8. При этом электропроводная жидкость 8 имеет больший удельный вес по сравнению с диэлектрической жидкостью 9, а сосуды 2 и 3 имеют по длине постоянное поперечное сечение и симметричную форму контура плоской фигуры этого сечения относительно его осей симметрии, например круга, квадрата. Электронный преобразователь 10 электрически соединен порознь с каждым из электрически разделенных (с помощью изоляторов) между собой сосудов 2 и 3 (выполненных из электропроводящего материала) и с электропроводной жидкостью 8, например, через электрод 11.
Устройство работает следующим образом. При изменении угла крена (дифферента) плавучего средства электропроводная жидкость 8 и диэлектрическая жидкость 9 в сосудах 2 и 3, а также в пространстве между мембранами 7 будут перемещаться по дуговым траекториям. Одновременно при изменении угла крена (дифферента) в одном направлении электропроводная жидкость 8 будет перетекать из сосуда 2 через его щель 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 в пространстве между мембранами 7 под поверхностью раздела жидкостей 8 и 9 в сосуд 3. При этом диэлектрическая жидкость 9 будет перетекать в обратном направлении из сосуда 3 через его щель 6 в его несмачиваемом диэлектрике 4 в пространстве между мембранами 7 над поверхностью раздела жидкостей 8 и 9 в сосуд 2 через его щель 6 в несмачиваемом диэлектрике 4. При этом конденсаторы, образованные сосудами 2 и 3, выполненными из электропроводящего материала, с нанесенным на их внутреннюю поверхность диэлектриком 4, электропроводной жидкостью 8 и диэлектрической жидкостью 9, изменяют свою емкость по линейной зависимости пропорционально перемещению поверхностей раздела, образованных электропроводной жидкостью 8 и диэлектрической жидкостью 9, в сосудах 2, 3 относительно продольных осей этих сосудов.
При этом емкость одного такого конденсатора увеличивается, а в то же время емкость другого конденсатора уменьшается. При изменении направления перемещения поверхностей раздела электропроводной жидкости 8 и диэлектрической жидкости 9 в сосудах 2, 3 относительно продольных осей этих сосудов емкости указанных конденсаторов изменяются в обратном порядке. В электронном преобразователе 10 осуществляется преобразование разности емкостей указанных конденсаторов в линейный электрический сигнал, который также пропорционален текущему значению или среднему значению угла крена или дифферента плавучего средства.
Указанный электрический сигнал может быть дистанционно передан для индикации, регистрации или последующей обработки, например, в ЭВМ.
При повышенных или пониженных температурах объемное расширение или сжатие электропроводной жидкости 8 и диэлектрической жидкости 9 и также повышенное или пониженное давление этих жидкостей в сосудах 2, 3, а также изменение положения уровня поверхностей раздела указанных жидкостей 8, 9 в сосудах 2, 3 компенсируется мембранами 7.