ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
HYDROPHYSICAL TRANSDUCER

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 прибрежной зоне континентального шельфа в режиме глубокого молчания объектов, например, типа подводных диверсионных вил и средств (ПДСС), в состав которых входят боевые пловцы-диверсанты (БПД), средства их доставки, малые (МПЛ) в 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. датчики поля радиоактивности;
III. датчики температуры;
IV. оптические и фотометрические устройства;
V. гидрофоны и гидроакустические датчики.
Все эти устройства объединяет 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 не применимы.
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 глубокого молчания, движители которых практически бесшумны.
Известно также устройство для определения пульсаций давления.
Это устройство по своему функциональному назначению наиболее близко к предлагаемому и состоит из корпуса, в котором расположены четыре одинаковых чувствительных элемента. К корпусу датчика прикрепляется насадок (обтекатель), имеющий три камеры: две боковые, изолированные от окружающей среды, и одну центральную, соединенную каналом со средой. Боковые камеры расположены над компенсационными чувствительными элементами, а центральная - над измерительными. Приемные поверхности чувствительных элементов расположены в контакте с водой, сами элементы соединены попарно-параллельно и расположены симметрично относительно оси корпуса.
Устройство работает следующим образом.
Пульсации давления, обусловленные как изменением статического давления, так и пульсациями динамического напора, воспринимаются двумя параллельно включенными измерительными элементами через канал и соответствующую камеру.
Приемные поверхности компенсационных элементов, также включенных параллельно, находятся в соответствующих камерах, заполненных водой таким образом, чтобы в них оставался некоторый объем с воздухом.
Вследствие идентичности конструкции и расположения измерительных и компенсационных элементов, а также в результате того, что приемные поверхности всех чувствительных элементов соприкасаются с водой, их электрические сигналы, обусловленные акустическими и вибрационными помехами, а также эффекты присоединенной массы воды будут равны. Вычитание сигналов от двух пар элементов позволяет уменьшить уровень виброакустических помех и таким образом улучшить отношение сигнал/шум без потери чувствительности. Для этого сигналы от элементов через предварительные усилители по кабельной линии поступают на основные усилители с регулируемым усилением, которые позволяют выравнять сигналы по обоим каналам. Далее через эмиттерные повторители сигналы поступают на дифференциальный усилитель, в котором производится компенсация помех. Через фильтр сигнал поступает на выход.
Данное устройство относится к измерительным приборам, применяемым в гидро- и аэродинамике, океанологии. Оно может быть применено на подводной лодке для измерения фазовой турбулентности морской среды и в системах обнаружения и измерения параметров турбулентности в кильватерном следе подводных лодок.
Это устройство применимо только для обеспечения компенсации виброакустических помех и устранения влияния на измерения эффекта присоединенной массы жидкости и не может быть использовано в интересах решения задачи обнаружения ПДСС по малым изменениям импульса переноса, обусловленным локальными возмущениями, возбуждаемыми движущимся в погруженном положении объектом.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности обнаружения в ограниченных акваториях (гавани, внутренние и внешние рейды, якорные стоянки и другие) объектов типа ПДСС за счет измерения в подповерхностном термоклине малых локальных изменений статистических характеристик (в частности, импульса переноса) гидрофизического поля жидкости, обусловленных их движением.
Механизм силового взаимодействия тела с жидкостью наиболее полно описывается явлением переноса импульса (см., например, Дж. Дейли, Д. Харлеман. Механика жидкостей, М., изд. "Энергия", 1971, с. 65). Поэтому для решения задачи обнаружения ПДСС использовано это явление, а также гидрофизические особенности и закономерности,  которые положены в основу измерителя малых изменений импульса переноса - гидрофизического преобразователя.
Поставленная цель достигается за счет того, что в гидрофизическом преобразователе, содержащем герметический корпус с крышкой, в котором размещены взаимосвязанные измерительный и электронные блоки, измерительный блок выполнен на основе механотрона, чувствительный элемент которого выполнен в виде плоской пластины, один конец последней связан с подвижными электродами механотрона, а другой - свободный - имеет синусоидальную форму и введен в герметически соединенный с корпусом механотрона полый обтекатель, механически связан с прецизионными мембранами, являющимися днищами ячеек-резонаторов, выполненных по типу "ампул Лоренцини" в виде полых цилиндров, размещенных на внутренней поверхности обтекателя и заполненных вязкой жидкостью, при этом полость каждой ячейки-резонатора связана с внешней средой через капилляры, расположенные в корпусе обтекателя в плоскости, нормальной к взаимопараллельным плоскостям мембран и чувствительного элемента, причем внешняя поверхность обтекателя является продолжением внешней поверхности корпуса гидрофизического преобразователя.
Кроме того, с целью повышения чувствительности и точности Измерений при изменении глубины погружения путем адаптации к изменяющимся при этом гидрологическим условиям, в устройство введен блок компенсации.
Кроме того, блок компенсации содержит баллоны со сжиженным газом, компенсационный механотрон, сильфонный датчик, выполненный по симметричной двухбаллонной схеме, исполнительный механизм и предохранительный клапан, при этом штырь компенсационного механотрона связан с гайкой установки механического нуля сильфонного датчика, а электрические выводы - через электронный блок - с исполнительным механизмом, связанным с газовым баллоном.
Данное техническое решение соответствует критерию "существенное отличие", так как в предложенном устройстве впервые ставится вопрос измерения малых изменений импульса переноса путем создания измерителя на базе электромеханического преобразователя-механотрона, в котором чувствительный элемент выполнен в виде плоской пластины специальной конфигурации, одна часть которой, связанная с держателем подвижных электродов механотрона, выполнена в виде плоскопараллельной пластины, а другая - выведенная в обтекатель - в виде пластины синусоидальной формы, а в качестве приемников предложены ячейки-резонаторы, выполненные по аналогии с "ампулами Лоренцини".
Все 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 импульсов переноса, обусловленные локальными возмущениями, возбуждаемыми движущимися в погруженном положении объектами, например, типа ПДСС.
Подобные технические решения с заявляемой совокупностью не известны, и поэтому предложение обладает новизной.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема;
на фиг. 2 - общий вид устройства в разрезе;
на фиг. 3 - измерительный блок;
на фиг. 4 - компенсационный механотрон с сильфонным датчиком блока компенсации;
на фиг. 5 - газовый баллон с исполнительным механизмом блока компенсации;
на фиг. 6 - электронный блок, схема электрическая,
на фиг. 7 - электронный блок, схема монтажная;
на фиг. 8 - корпус в сборе с элементами крепления узлов и блоков гидрофизического преобразователя в целом.
Гидрофизический преобразователь состоит из корпуса 1 с крышкой, в котором расположены измерительный блок 2, блок компенсации 3 и электронный блок 4 (см. фиг. 1, 2).
Основными элементами измерительного блока 2 (см. фиг. 1, 2, 3) являются двух-трехэлектродная лампа 5 (измерительный механотрон, например, типа 6МХ1С) с подвижными элементами, жестко соединенными со специальным чувствительным элементом 6, выполненным в виде плоской пластины с различным профилем по ее длине, который через неподвижную мембрану 7 выведен из баллона измерительного механотрона 5 в полый обтекатель 8, герметически соединенным с шейкой 9 измерительного механотрона 5 и составляющим с корпусом 1 единое целое. На внутренней поверхности обтекателя 8 имеются ячейки-резонаторы 10, выполненные по аналогии с "ампулами Лоренцани" в виде цилиндров, в качестве днищ которых использованы плоские прецизионные мембраны 11, и заполненные вязкой жидкостью (более плотная фаза), например, составом, изготовленным на основе полиметилсилоксановой жидкости типа ПМС ГОСТ 13032-77 или на основе кремнийорганической типа ПЭС-В ГОСТ 16480-70 на перемешиваемой с окружающей средой (менее плотная фаза). Полость каждой ячейки-резонатора 10 сообщается с внешней средой посредством капилляров 12, расположенных в корпусе обтекателя 8 в плоскости, нормальной к взаимопараллельным плоскостям мембран 11 и чувствительного элемента 6.
Взаимосвязь размеров капилляров 12 и характеристик жидкости в полостях ячеек-резонаторов 10 описывается формулой Жюрена
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi><mi>cos</mi><mi>ν</mi></mrow><mrow><mi>r</mi><mi>ρ</mi><mi>q</mi></mrow></mfrac></mrow>
где h=(δ-r) - столб жидкости, заполняющий капилляр;
r и δ - соответственно радиус и длина капилляра;
σ - коэффициент поверхностного натяжения;
ν - краевой угол.
Блок компенсации 3 (см. фиг. 1, 2, 5, 4) состоит из компенсационного механотрона 13, сильфонного датчика 14, выполненного по симметричной двухбаллонной схеме. Баллоны сильфонного датчика 14 (например, типа HC14-10-01 ГОСТ 11915-72) соединены, c одной стороны, с внешней средой при помощи трубки 15, а с другой, - с внутренней полостью обтекателя 8 с помощью трубки 16, которая при помощи хомутиков крепится на внутренней поверхности корпуса 1. Тип сильфонного датчика 14 выбран исходя из заданной максимальной глубины погружения предлагаемого гидрофизического преобразователя. Кроме того, блок компенсации 3 содержит предохранительный клапан 17, который расположен на торце обтекателя 8 и с помощью уплотнительной прокладки 18 герметизирует внутреннюю полость обтекателя 8, а также баллон со сжиженным газом 19, например, от бытовой газовой зажигалки и исполнительный механизм 20, состоящий из дроссель-клапана 21 баллона 19 и электромагнитного устройства 22 (например, магнита постоянного тока с параметрами: напряжение - 12 В, ток - 0,35 А, количество витков - 1500 проводом ПЭТВ-0,18 или ПЭТВ-0,22; сердечник диаметром 3÷3,5 мм, длиной 27 мм, материал - сталь АРМКО, механически связанного с клапаном 21 рычагом 23, клапан 21 герметически и жестко связан с баллоном сильфона 24 (например, из серии НС ГОСТ 11915-72), ко второму торцу которого герметически прикреплен выходной патрубок. Весь исполнительный механизм 20 герметически закрыт кожухом 26, укрепленным фигурным зажимом 27, установленным на баллоне 19.
3
7
14
15
1
3
1
2
10
11
2
8
Электронный блок 4 (см. фиг. 1, 2, 6, 7) состоит из схем включения измерительного механотрона 5, собранного по мостовой схеме на элементах R÷R компенсационного механотрона 13, собранной по мостовой схеме на элементах R÷R, дифференциальных каскадов, выполненных на операционных усилителях A и A типа 140УД7 и элементах R÷R и R÷R, соответственно, а также из компаратора A типа 521СА3 с переменным резисторам R и нагруженного на реле Р1 типа РЭС-32.
Корпус 1 выполнен в виде грушеобразного тела вращения с крышкой 29 и уплотнительной прокладкой 30 для обеспечения герметизации внутренней полости. Форма корпуса выбрана из условия обеспечения устранения возникновения дополнительных помех в виде вихревых образований в местах контакта внешней среды через каппиляры 12 с жидкостью, находящейся в ячейках-резонаторах 10 (см., например, Дж. Дейли, Д. Харлеман. Механика жидкости. М., изд-во "Энергия", 1971 г., с. 407-418).
Связь гидрофизического преобразователя с постом регистрации, индикации и управления осуществляется с помощью герметической, водонепроницаемой приборной вилки 31, например, типа 2РМГД24Б10Ш5Е2, которая связана с электронным блоком 4 и укреплена на корпусе 1.
Сборку гидрофизического преобразователя осуществляют следующим образом (см. фиг. 2, 8).
В полость обтекателя 8 вводят трубки 16 и 25 и крепят их хомутиками 32 к внутренней стенке корпуса 1, а места ввода труб 16 и 25 в обтекатель 8 заливают герметиком, например, типа УТ-32 ТУ38 1051386-80. Трубку 15 вставляют в просверленное в стенке корпуса 1 отверстие 15′, закрепляют и герметизируют. На внутренней стенке обтекателя 8 крепят ячейки-резонаторы 10, которые набраны в кассету, на заранее изготовленные посадочные места 10′, выполненные, например в виде "ласточкина хвоста". Места контакта заливают герметиком. Затем в держатель 33′ (например, типа АВ8.126.625-31-32-54 ОСТ 4Г0.812.000) ставят измерительный механотрон 5 так, чтобы плоскость чувствительного элемента 6 была строго параллельна плоскостям прецизионных мембран 11, а гребни профиля свободной части чувствительного элемента 6 соприкасались с мембранами 11 в их центрах. По периметру шейки 9 измерительного механотрона 5 заливают герметик. Затем в держатели 33′′ и 34 (например, типа АВ8.126.625-5-641 ОСТ 4Г0.812.000) устанавливают компенсационный механотрон 13 в сборе с сильфонным датчиком 14, а выходные патрубки датчика 14 герметически соединяют при помощи резьбовых соединений 28 с трубками 15 и 16. Газовый баллон 19 в сборе с исполнительным механизмом 20, герметически закрытым кожухом 26, закрепляют в держателе 35 (например, типа АВ8.126.625-19-20-48 ОСТ 4Г0.812.000), а выходной патрубок герметически соединяют с помощью резьбового соединения 28 с трубкой 25. Затем на кронштейне 36, закрепленном на внутренней стенке корпуса 1, устанавливают вилку 37, (например, типа МРН14-1) и с помощью однотипной с ней розеткой 38 устанавливают электронный блок 4, а свободную грань его фиксируют на кронштейне 39, также закрепленном на внутренней стенке корпуса 1.
Параллельно со оборкой узлов гидрофизического преобразователя осуществляют их соединение по электрическим цепям и настраивают. Проверяют работоспособность всех блоков, элементов и гидрофизического преобразователя в целом.
Корпус 1 закрывают крышкой 29 и герметизируют с помощью уплотнительной прокладки. Устанавливают предохранительный клапан 17, герметизируя место его установки в торце обтекателя 8 уплотнительной прокладкой 18.
Устройство работает следующим образом.
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 (менее плотная фаза) в некотором ограниченном объеме с помощью предлагаемого устройства - гидрофизического преобразователя.
При изменении в объеме ΔW импульса переноса во внешней среде, обусловленной возмущениями, вызываемыми движущимся в погруженном положении объектом, на квазинеподвижную поверхность раздела, над этой поверхностью создается вертикальный градиент импульса переноса. Вследствие этого движение во внешней среде у поверхности раздела станет неустойчивым и распадется на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход движения над поверхностью раздела, что приводит в образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах.
1
1
1
1
Наведенные в ячейках-резонаторах 10 волны, воздействуя через мембраны 11 на чувствительный элемент 6, вызывают его колебания, которые, в свою очередь, передаются перемещаемым электродам измерительного механотрона 5, что приводит к изменению выходного сигнала в анодной цепи измерительного механотрона 5 (VL) (см. фиг. 5), включенного по мостовой схеме. Выходное напряжение измерительного механотрона VL подается на дифференциальный каскад, выполненный на операционном усилителе A. Напряжение с выхода усилителя A, подается для дальнейшего использования, например, на пост регистрации, индикации и управления.
3
2
2
8
2
2
2
2
2
1
2
1
2
1
1
2
2
С целью повышения чувствительности и точности измерений при изменении глубины погружения путем адаптации к изменяющимся гидрологическим условиям, обусловленных характером распределения различных параметров окружающей среды, в него введен блок компенсации 3 (см. фиг. 1, 2, 4, 5), который автоматически уравновешивает давление внутри, обтекателя и во внешней среде. Измерительная схема блока компенсации состоит из буферного каскада, выполненного на операционном усилителе A и компаратора A, нагруженного на реле Р1 типа РЭС-32. Установка механического нуля блока компенсации 3 достигаются путем перемещения штыря компенсационного механотрона 13 (VL) гайкой 40, расположенной на втулке 41 между баллонами сильфонного датчика 14. Для ограничения перемещения сильфонного датчика 14 при аварийных перегрузках датчика служит упор 42, жестко укрепленный на корпусе 43 сильфонного датчика 14. Установка границы допуска осуществляют переменным резистором R, который изменяет напряжение смещения Uсм компаратора A. Если выходное напряжение компенсационного механотрона VL-Uм, снимаемое с буферного каскада не превышает величины Uоп+Uсм≥Uм (где Uоп - опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона VD), то выход компаратора A закрыт, а обмотка электромагнита 22 через контакты реле Р1 обесточена и клапан-дроссель 21 закрыт. Если же Uм>Uоп+Uсм, то выход компаратора A открывается, реле Р1 срабатывает, магнит 22 с помощью рычага 23 открывает клапан 21 и давление внутри обтекателя Р повышается за счет поступления в полость обтекателя 8 газа из баллона 19 до величины P - давления внешней среды. При P=P Uм≤Uоп+Uсм реле Р срабатывает, обмотка магнита 22 обесточивается, клапан 21 закрывается и поступление газа из баллона 19 прекращается. При Р>Р Uм>Uоп+Uсм срабатывает (при закрытом выходе компаратора A) предохранительный клапан 17 и давление уравновешивается, то есть
1
2
Р=Р.
Предлагаемый гидрофизический преобразователь обладает следующими основными параметрами:
масса, не более, г
400
напряжение накала, В
6,3
анодное напряжение, В
12
чувствительность по току к
перемещениям, мкА/мкм
30
чувствительность по току к
силам, мкА/сН
не измерялось
энергопотребление, не более, Вт
3,5; в период адаптации - до 7
долговечность, ч
2000
Таким образом, предлагаемый гидрофизический преобразователь отличается от всех существующих устройств измерения гидрологических характеристик жидкостей, предназначен для использования в системах обнаружения в ограниченных акваториях объектов типа НДСС за счет измерения в подповерхностном термоклине малых локальных изменений импульса переноса, обусловленных их движением, а также для широкого применения в научных исследованиях физики моря. Гидрофизический преобразователь может использоваться как в одноканальных, так и в многоканальных системах.
Заявляемый гидрофизический преобразователь технологичен в изготовлении, в нем использованы элементы и узлы, серийно выпускаемые промышленностью. Изготовление составных элементов, например, чувствительного элемента, ячеек-резонаторов, корпусов, магнита, предохранительного клапана, платы электронного блока не представляет технических трудностей.