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 режиме полного молчания объектов, например, типа подводных диверсионных сил и средств /ПДСС/, в состав которых входят боевые пловцы /БП/, средства их доставки, малые /МПЛ/ и 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;
VI. Датчики пульсаций давления.
Все эти устройства объединяет то, что они измеряют либо регулярные, либо нерегулярные составляющие гидродинамических 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 диссинации, вызванной морским волнением, а датчики IV типа в ночное время практически неприменимы.
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 полного молчания, т.е. при отсутствии излучения объектом энергии в ИК-, радио-, световом и звуковом диапазонах волн, движители которых при этом практически бесшумны.
Датчики VI типа применимы на подводных лодках для измерения фоновой турбулентности морской воды, а также в системах обнаружения и измерения параметров турбулентности в кильватерном следе подводной лодки и не могут быть использованы в интересах обнаружения ПДСС по измерениям малых изменений импульса переноса, обусловленным локальными возмущениями, возбуждаемыми движущимся в погруженном положении объектом.
Известно также устройство под названием ″Гидрофизический преобразователь″ /ГПФ/.
Это устройство по своему функциональному назначению наиболее близко к предлагаемому и состоит из герметичного корпуса с крышкой, в котором установлены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным элементом и электронный блок. Чувствительный элемент измерительного блока выполнен в виде плоской пластины измерительного механотрона, один конец которой соединен с подвижными электродами, а другой имеет синусоидальную форму, выведен через диафрагму в полость обтекателя и соединен с выполненными в виде прецизионных мембран днищами резонаторов, размещенных на внутренней поверхности обтекателя и заполненных вязкой инертной жидкостью /более плотная фаза/, например, составом, изготовленным на основе полиметилсилоксановой жидкости типа ПМС ГОСТ 13032-77 или на основе кремнийорганической жидкости типа ПЭС-В ГОСТ 16480-70 не перемешиваемой с окружающей средой /менее плотная фаза/, при этом полость каждого резонатора соединена с окружающей средой через капилляры, выполненные в корпусе обтекателя в плоскости, параллельной плоскостям мембран и чувствительного элемента, а также газовый баллон, исполнительный механизм, предохранительный клапан и компенсационный механотрон, штырь которого соединен с механизмом установки нуля сильфонного датчика, а электрические выводы соединены через электронный блок с исполнительным механизмом, связанным с газовым баллоном, при этом предохранительный клапан герметично установлен на торце обтекателя.
Электронный блок состоит из схем включения измерительного и компенсационного механотронов, собранных по мостовой схеме, дифференциальных буферных каскадов, выполненных на операционных усилителях типа 1409Д7 и компаратора типа 521СА3, нагруженного на реле типа РЭС-32.
Корпус ГФП выполнен в виде грушеобразного тела вращения. Форма корпуса выбрана из условия обеспечения устранения возникновения дополнительных помех в виде вихревых образований в местах контакта внешней среды через капилляры с жидкостью, находящейся в полостях резонаторов.
Связь ГФП с постом регистрации, индикации и управления осуществлена с помощью герметичной водонепроницаемой приборной вилки типа 2РМГД24Б10Ш5Е2.
В основу построения упомянутого устройства положено явление переноса импульса, которое наиболее полно описывает механизмсилового взаимодействия твердого тела с жидкостью, а также гидрофизические особенности и закономерности явлений, возникающих на поверхностях раздела двух несмешиваемых жидкостей различных плотностей и вязкостей и твердого тела.
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.
Устройство работает следующим образом.
-3
При изменении импульса переноса во внешней среде над квазинеподвижной поверхностью раздела создается вертикальный градиент импульса. Вследствие этого движение во внешней среде у поверхности раздела станет неустойчивым и распадается на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах. Это, в свою очередь, приводит к образованию в резонаторах волн, которые через мембраны воздействуют на чувствительный элемент измерительного блока устройства и вызывают его колебания, которые, в свою очередь, передаются перемещаемым электродам измерительного механотрона, что приводит к изменению выходного сигнала в анодной цепи измерительного механотрона, включенного по мостовой схеме. При выходном сопротивлении, равном /1,5-2/ кОм и чувствительности механотрона к давлению, равном /1-5/·10 мкА/Па, выходной сигнал будет равен /2-10/ мкВ/Па. Выходное напряжение измерительного механотрона подают на дифференциальный каскад, выполненный на микросхеме 140УД7. Напряжение с выхода дифференциального каскада подают для дальнейшего использования, например, на пост регистрации, индикации и управления.
m
m
оп
см
оп
см
m
оп
см
1
2
1
2
m
оп
см
1
2
m
оп
см
1
2
Изменение глубины погружения в окружающей ГФП среде приводит к изменению гидрологических условий, обусловленных характером распределения различных параметров окружающей среды. Адаптация ГФП к этим изменениям осуществляется путем уравновешивания давления в полости обтекателя и во внешней среде. Уравновешивание упомянутого давления осуществляют следующим образом. Если выходное напряжение компенсационного механотрона -U, снимаемое с буферного каскада, выполненного на микросхеме 140УД7, не превышает величины U≤U+U /где U - опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона Д818Е, а U - напряжение смещения компаратора/, то выход компаратора закрыт, исполнительный механизм обесточен и газовый баллон закрыт. Если же U>U+U, то выход компаратора открывается, исполнительный механизм срабатывает и давление в полости обтекателя Р повышается за счет поступления в полость сжатого воздуха из газового баллона до величины Р - давления внешней среды. При Р=Р U≤U+U, исполнительный механизм обесточивается и поступление воздуха из газового баллона прекращается. При Р>Р U>U+U при закрытом выходе компаратора срабатывает предохранительный клапан и давление уравновешивается, т.е. Р=P.
Данное устройство предназначено для измерения малых изменений импульса переноса. Однако повышенное выходное сопротивление />1,5 КОм/ измерительного блока устройства приводит к росту тепловых шумов и к сужению динамического диапазона в области малых /пороговых/ сигналов. Кроме того, измерительному механотрону присущи все шумы, которые возникают в электровакуумных приборах /например, шумы токов перераспределения между электродами, шумы за счет высокой температуры катода или нагревателя и другие, а упругие свойства механических элементов измерительного блока /например, измерительного элемента, диафрагмы и других/ выполненных из поликристаллических материалов, порождают явление гистерезиса /в частности, отставание выходного сигнала от входного воздействия/ и упругое последействие.
Описанные недостатки существенно снижают класс точности измерения малых изменений импульса переноса, обусловленных движущимся в погруженном положении объектом типа ПДСС, особенно в области пороговых сигналов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений малых изменений импульса переноса за счет снижения выходного сопротивления измерительного блока, уменьшения собственных шумов до уровня тепловых и уменьшения этапов преобразования входной энергии импульсов переноса в выходные электрические сигналы.
Поставленная цель достигается за счет того, что в гидрофизическом преобразователе, состоящем из герметичного корпуса с крышкой, в котором установлены взаимосвязанные измерительный блок с чувствительным элементом и электронный блок, чувствительный элемент измерительного блока выполнен на основе полупроводникового монокристаллического сдвоенного тензорезистора с выводом от средней точки с утолщениями по концам и в середине для создания на них омических контактов с малой плотностью тока, при этом чувствительный элемент состоит из измерительной и термокомпенсационной симметричных рабочих частей, длина и поперечное сечение которых подобраны так, чтобы во всем диапазоне рабочих глубин и измеряемых величин при недопустимых /аварийных/ перегрузках чувствительный элемент не терял продольную устойчивость, средним утолщением чувствительный элемент жестко укреплен на контактной площадке по оси обтекателя, а утолщениями на концах его - в центре выполненного в виде прецизионной мембраны днища резонатора перпендикулярно плоскости последнего и на жесткой опоре без сжатия - растяжения соответственно измерительной и компенсационной частей.
Кроме того, чувствительный элемент выполнен в виде тонкой струны.
Кроме того, с целью предотвращения разрушения чувствительного элемента во всем диапазоне измеряемых величин переходы между рабочими частями чувствительного элемента и утолщениями выполнены по принципу стержня равного сопротивления.
Кроме того, с целью повышения точности измерений малых изменений импульса переноса без ухудшения чувствительности в период адаптации электронный блок введен интегратор с активной цепочкой интеграции, выполненный, например, на операционном усилителе, в ход которого подключен к выходу измерительной схемы чувствительного элемента, а выход - ко входу компаратора, нагруженного на реле управления исполнительным механизмом.
Такое построение устройства обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений малых изменений импульса переноса во всем диапазоне рабочих глубин погружения, обусловленных возмущениями, вызываемыми движущимся в погруженном положении объекта типа ПДСС, благодаря тому, что внутреннее сопротивление полупроводникового монокристаллического сдвоенного тензорезистора составляет порядка 100-500 Ом, чем обеспечивается снижение собственных шумов; упругие свойства монокристаллов на несколько порядков выше упругих свойств элементов прототипа, выполненных из поликристаллических материалов, а из шумов упомянутым монокристаллам присущ только тепловой шум, который значительно уменьшается путем компенсации, осуществляемой термокомпенсационной частью чувствительного элемента, что приводит к увеличению отношения сигнал/шум, это, в свою очередь, отодвигает порог чувствительности в область малых /пороговых/ сигналов. Сокращение этапов преобразования входной энергии импульса переноса в выходные электрические сигналы уменьшает потери информации в измерительном блоке.
Данное техническое решение соответствует критериям ″существенные отличия″ и ″новизна″, так как все перечисленные выше признаки в этой совокупности органически связаны, существенны, необходимы и достаточны для обеспечения поставленной задачи.
Все признаки в заявляемом устройстве известны порознь, но в той совокупности, в которой они заявлены в предложенном техническом решении, не встречаются ни в аналогах, ни в прототипе, ни в других источниках информации, доступных заявителю и авторам. При этом заявляемая совокупность признаков проявляет новое свойство, которое не обнаруживается ни в одном из известных объектов, а именно: измерять малые изменения импульса переноса в области малых /пороговых/ сигналов во всем диапазоне рабочих глубин погружения с повышенными точностью и чувствительностью измерений.
Поэтому предложенное решение соответствует критериям ″существенные отличия″ и ″новизна″.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - гидрофизический преобразователь, общий вид;
На фиг. 2 - электронный блок, схема электрическая;
На фиг. 3 - электронный блок, схема монтажная;
На фиг. 4 - измерительный блок, конструкция.
2
Гидрофизический преобразователь /см. фиг. 1, 4/ состоит из герметичного корпуса 1 с крышкой 2, в котором установлены взаимосвязанные измерительный блок 3 с чувствительным элементом 4 и электронный блок 5. Чувствительный элемент 4 выполнен на основе полупроводникового монокристаллического тензорезистора с коэффициентом тензочувствительности К=/1÷1,2/·10 в виде тонкой струны диаметром 12-30 мкм с выводом от средней точки с утолщениями 6 и 7 по концам и 8 в середине для создания на них омических контактов с малой плотностью тока и состоит из двух симметричных рабочих частей - измерительной 4-1 и термокомпенсационной 4-2. Утолщение 6 измерительной части 4-1 чувствительного элемента 4 жестко укреплено в центре днища резонатора 9, выполненного в виде плоской прецизионной мембраны 10 радиусом порядка 8 мм, перпендикулярно плоскости последней. Средний вывод 8 жестко укреплен на контактной площадке 11 на оси обтекателя 12, а свободный конец 7 термокомпенсационной части 4-2 чувствительного элемента 4 - на жесткой опоре 13 без сжатия-растяжения. При этом для предотвращения разрушения чувствительного элемента 4 во всем диапазоне измеряемых величин переходы между его рабочими частями и утолщениями выполнены по принципу стержня равного сопротивления. Такое выполнение переходов при недопустимых /аварийных/ перегрузках вызывают плавный по определенному радиусу изгиб чувствительного элемента 4 /точнее его измерительной части 4-1/ без разрушения. Упругие силы возвращают чувствительный элемент 4 после снятия упомянутых перегрузок в исходное положение без остаточных деформаций.
Резонатор 9 размещен на внутренней поверхности обтекателя 12, корпус которого составляет единое целое с корпусом 1 ГФП. Внутренняя полость резонатора 9 заполнена смачиваемой вязкой инертной жидкостью /более плотная фаза/, например, составом, изготовленным на основе полиметилсилоксановой жидкости типа ПМС ГОСТ 13032-77 или на основе кремнийорганической жидкости типа ПЭС-B ГОСТ 16480-70 не перемешиваемой с окружающей жидкой средой /менее плотная фаза/, при этом полость резонатора 9 соединена с окружающей средой через капилляры 14, выполненные в корпусе обтекателя 12 в плоскости параллельной плоскости мембраны 10. Кроме того, заявляемый ГФП содержит газовый баллон 15, например, от бытовой газовой зажигалки с наполнительным клапаном и дроссель-клапаном, исполнительный механизм 16 /например, магнит 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 связанный рычагом с дроссель-клапаном газового баллона 15/. Весь исполнительный механизм 16 герметично закрыт кожухом 17, установленным с помощью фигурного зажима на баллоне 15. На торце обтекателя 12 герметично установлен предохранительный клапан 18.
Электронный блок 5 /см. фиг. 2, 3/ состоит из измерительной схемы включения чувствительного элемента 4 /TR1 и TR2/, собранной по мостовой схеме; интегратора, выполненного на операционном усилителе А1 типа 140УД7 с активной /С1-R1/ и пассивной /C2-R2/ цепями интеграции, вход которого соединен с выходом измерительной схемы, а выход является выходом ГФП; дифференциального буферного каскада, выполненного на операционном усилителе А2 типа 140УД7 и элементах C4, R5, R6, вход которого соединен с выходом измерительной схемы, а выход - со входом компаратора A3 с переменным резистором R8, собранного на микросхеме типа 521СА3 и нагруженного на реле 34 /P1/ типа РЭС-32.
Форма корпуса 1 выбрана из условия обеспечения устранения возникновения дополнительных помех в виде вихревых образований в местах контакта внешней среды через капилляры 14 с жидкостью, находящейся в полости резонатора 9.
Связь гидрофизического преобразователя с постом регистрации, индикации и управления с помощью герметичной, водонепроницаемой приборной вилки 19, например, типа 2РМГД24Б10Ш5Е2, которая связана с электронным блоком 4 и укреплена герметично на крышке 2.
Сборку ГФП осуществляют следующим образом /см. фиг. 1 и 4/. В ячейку 20 конструкции измерительного блока 3 герметично и жестко вставляют резонатор 9. В центре днища последнего с помощью, например, эпоксидного клея типа ″Спрут″ и др., укрепляют омический контакт 6 чувствительного элемента 4, среднюю точку 8 которого также, с помощью клея укрепляют на контактной площадке 11 жесткого ребра 21 так, чтобы измерительная часть чувствительного элемента 4 была перпендикулярна плоскости выполненного в виде прецизионной мембраны 10 днища резонатора 9. Омический контакт 7 термокомпенсационной части чувствительного элемента 4 без сжатия-растяжения укрепляют на контактной площадке 22 жесткой опоры 13. Выводы от омических контактов 6, 7 и 8 выводят через фланец 23, а место вывода герметизируют с помощью герметика, например, типа УТ-32 ТУ38.1051386-80. С помощью направляющих 24 устанавливают измерительный блок 3 в специальном пазе в корпусе обтекателя 12 и закрепляют. На кронштейне 25, укрепленном на внутренней стенке корпуса 1, устанавливают вилку 26 /например, типа МРН 14-1/ и с помощью однотипной с ней розетки 27 устанавливают электронный блок 5, а свободную грань его фиксируют на кронштейне 28.
Затем газовый баллон 15 в сборе с исполнительным механизмом 16, закрытым герметичным корпусом 17, закрепляют в держателе 29 /например, типа АВ8.126.625-19-20-48 ОСТ 4Г0.812.000/, а выходной патрубок 30 герметично вводят через фланец 23 в полость обтекателя 12. На торце последнего устанавливают предохранительный клапан 18, с помощью которого и уплотнительной прокладки 31 герметизируют полость обтекателя 12. Затем, соединив по электрическим цепям измерительный блок 3 с электронным блоком 5, а последний с вилкой 19, полость корпуса 1 закрывают крышкой 2 и герметизируют с помощью гайки 32 и уплотнительной прокладки 33. Все места герметичных соединений и контактов дополнительно герметизируют герметиком.
Параллельно со сборкой и соединением по электрическим цепям узлов и блоков ГФП осуществляют их настройку. Проверяют работоспособность узлов, блоков и ГФП в целом.
Устройство работает следующим образом.
-6
-4
При изменении импульса переноса во внешней среде над квазинеподвижной поверхностью раздела создается вертикальный градиент импульса. Вследствие этого движение во внешней среде у поверхности раздела станет неустойчивым и распадется на отдельные вихри, которые создают пульсационный ход давления над поверхностью раздела, что приводит к образованию в более плотной фазе жидкости первичных капиллярных волн и изменению энергонасыщенности коротких волн в жидкостных линзах. Это, в свою очередь, приводит к образованию в резонаторе 9 волн, которые через мембрану 10 воздействуют на измерительную часть 4-1 чувствительного элемента 4, что приводит к изменению выходного сигнала мостовой схемы включения чувствительного элемента 4, то есть измерительного блока 3. Под действием пульсационного хода давления над поверхностью раздела в 1 Па измерительная часть 4-1 элемента 4 испытывает относительную деформацию ε=5·10. Это приводит к относительным изменениям сопротивления и выходного сигнала порядка 5·10, что соответствует выходному сигналу равному 500 мкВ/Па и не зависящему от выходного сопротивления.
Выходной сигнал измерительного блока 3 одновременно используют для получения информации о наличии изменений импульса переноса в зоне чувствительности ГФП, а также об изменениях статического давления, связанных с изменениями рабочей глубины.
Разделение упомянутого сигнала по каналам осуществлено с помощью интегратора А1 с активной /C1-R1/ и пассивной /C2-R2/ цепями интеграции и дифференциального буферного каскада А2 с элементами С4, R5, R6. Описанные устройства выполняют функции соответственно фильтров верхних частот - ВЧ /А1, R1, R2, R3, С1, С2, С3/ и нижних частот - НЧ /А2, С4, R5, R6/.
Ограничение в области высоких частот /или высокочастотных шумов/ осуществляют подбором соотношения номиналов элементов C1 и С2, а значение требуемого коэффициента усиления - элементов R1 и R3.
Постоянную времени фильтра НЧ выбирают, исходя из максимально возможной скорости изменения рабочих глубин. Ограничение нижних частот осуществляют подбором номинала элемента С3, исходя из условия не пропускания сигналов /т.е. помехи/ от схемы управления исполнительным механизмом 16.
Сигнал с выхода интегратора А1 подают для дальнейшего использования, например, на пост регистрации, индикации и управления.
см
m
m
оп
см
оп
m
оп
см
2
1
2
m
оп
см
1
2
m
оп
см
1
2
С целью повышения точности измерений малых изменений импульса переноса без ухудшения чувствительности при изменении рабочей глубины погружения путем адаптации к изменяющимся гидрологическим условиям, обусловленным характером распределения различных параметров окружающей среды статическую составляющую выходного сигнала измерительного блока 3 с выхода с дифференциального буферного каскада А2 подают на вход компаратора A3, изменение напряжения смещения U которого осуществляют переменным резистором R8. Если напряжение - U, снимаемое с дифференциального буферного каскада А2, не превышает величины U≤U+U /где U - опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона VD1/, то выход компаратора A3 закрыт, а обмотка исполнительного механизма 16 через контакты реле 34 /Р1/ обесточена и клапан-дроссель газового баллона 15 закрыт. Если же U>U+U /рабочая глубина увеличивается/, то выход компаратора A3 открывается, реле Р1 срабатывает, исполнительный механизм 16 открывает клапан-дроссель газового баллона 15 и давление внутри обтекателя Р, повышается за счет поступления в полость обтекателя 12 сжатого воздуха /или инертного газа/ из баллона 15 до величины Р - давления внешней среды. При Р=Р U=U+U реле Р1 срабатывает, обмотка исполнительного механизма 16 обесточивается и поступление сжатого воздуха из баллона 15 прекращается. При Р>Р /рабочая глубина уменьшается/ U>U+U срабатывает при закрытом выходе компаратора A3/ предохранительный клапан 18 и давление уравновешивается, то есть Р=P.
Предлагаемый ГФП по сравнению с прототипом обладает следующими основными параметрами:
прототип
заявляемый ГФП
масса, не более, г
- 400
- 200
напряжение накала, В
- 6,3
-
напряжение питания, В
- 12
- 12
чувствительность к давлениям, мкВ/Па
- 2-10
- 500
энергопотребление, не более Вт
- 3,5; в период адаптации до 7
- 2; в период адаптации до 4,5
долговечность, ч
- 2000
до 4000
Таким образом, предлагаемый гидрофизический преобразователь обеспечивает повышение чувствительности и точности измерения малых изменений гидрологических характеристик жидкости по сравнению с прототипом, особенно в области малых /пороговых/ сигналов в 50-250 раз, предназначен для использования в системах обнаружения объектов типа ПДСС за счет измерения малых локальных изменений импульса переноса, обусловленных их движением, а также для мирного 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, резонатора, корпусов, предохранительного клапана, платы электронного блока не представляет технических трудностей.