RU1841054C

RU1841054C - Hydrophysical transducer

Info

Publication number: RU1841054C
Application number: SU3199887/28A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Князюк; В.В. Скворцов; В.Г. Тиняков
Original assignee: Государственное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Квант"
Priority date: 1988-05-17
Filing date: 1988-05-17
Publication date: 2015-03-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to measurement of statistical characteristics of hydrophysical fields of a liquid and can be used in sonar systems for detecting targets moving in a submerged position in complete silence mode. The hydrophysical transducer consists of a sealed housing (1) with a cover (2), in which a measurement unit (3) with a sensitive element and an electronic unit (5) are interconnected. The sensitive element is placed inside a hollow cowling (12), on the inner surface of which there is also a resonator (9), filled with a viscous inert liquid. The bottom of the resonator (9) is in the form of a membrane (10), and its cavity is linked to the ambient medium through capillaries (14) made in the housing of the cowling (12). The sensitive element is based on a semiconductor monocrystalline paired tensoresistor in the form of a cylindrical rod of equal resistance with a lead from the middle point. The sensitive element has protuberances (6, 7) at the ends and in the middle (8) and consists of measurement and heat-compensation parts (4-2) which are symmetrical on geometrical and electrical parameters. The sensitive element is rigidly connected through a binding substance at the middle protuberance (8) to a contact pad (11) on the axis of the cowling (12), at the protuberance (6) at the end of the measurement part to the centre of the bottom of the resonator (9) perpendicular to its plane and at the protuberance (7) at the end of the heat-compensation part to a rigid support (13). A safely valve (18) is hermetically fitted at the end of the hollow cowling (12). The hydrophysical transducer also includes a gas cylinder (15), connected to an actuating mechanism (16).

EFFECT: high accuracy of measuring small changes in a carry pulse.

4 dwg

Description

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.The present invention relates to the field of measuring the statistical characteristics of hydrophysical fields of a liquid, in particular, to sensors for measuring instantaneous values of hydrological characteristics and can be used in sonar systems to detect objects moving in an immersed position in complete silence, for example, such as underwater sabotage forces and means / PDSS /, which includes combat swimmers / BP /, their delivery vehicles, small / MPL / and ultra-small / SMPL / submarines and others.

Известны устройства измерения различных характеристик жидкости, основанные на:Known devices for measuring various characteristics of a liquid, based on:

I. определении водорода, образующегося в морской воде при работе атомных реакторов подводных лодок;I. the determination of hydrogen generated in seawater during the operation of nuclear submarine reactors;

II. Датчики поля радиоактивности;II. Radioactivity field sensors;

III. Датчики температуры;III. Temperature sensors;

IV. Оптические и фотометрические устройства;IV. Optical and photometric devices;

V. Гидрофоны и гидроакустические датчики;V. Hydrophones and hydroacoustic sensors;

VI. Датчики пульсаций давления.VI. Pressure pulsation sensors.

Все эти устройства объединяет то, что они измеряют либо регулярные, либо нерегулярные составляющие гидродинамических характеристик жидкости.All these devices are united by the fact that they measure either regular or irregular components of the hydrodynamic characteristics of the fluid.

В то же время всем этим устройствам присущи и общие недостатки.At the same time, all these devices have common drawbacks.

Основным недостатком первых двух типов датчиков является то, что они применимы в системах обнаружения только атомных подводных лодок.The main disadvantage of the first two types of sensors is that they are applicable in the detection systems of only nuclear submarines.

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.The main disadvantage of type III and IV sensors is that they are not effective for sea waves due to sharp decreases and distortions of recorded local anomalies due to their dissipation caused by sea waves, and type IV sensors at night are practically not applicable.

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.Type V sensors when operating in active sonar systems do not provide stealth action, and in the passive mode of operation, the stations are practically useless for detecting PDSS moving in complete silence mode, i.e. in the absence of radiation by the object of energy in the infrared, radio, light and sound wave ranges, the propulsion devices of which are practically silent.

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.Type VI sensors are applicable in submarines for measuring background turbulence of sea water, as well as in systems for detecting and measuring turbulence parameters in the wake of a submarine, and cannot be used in the interest of detecting PDSS from measurements of small changes in the transfer momentum caused by local disturbances excited by a moving in the submerged position of the object.

Известно также устройство под названием ″Гидрофизический преобразователь″ /ГПФ/.Also known is a device called ″ Hydrophysical Transducer ″ / GPF /.

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.This device, by its functional purpose, is closest to the proposed one and consists of a sealed enclosure with a cover in which interconnected measuring unit with a sensing element and an electronic unit are installed. The sensitive element of the measuring unit is made in the form of a flat plate of the measuring mechatronic, one end of which is connected to the movable electrodes, and the other has a sinusoidal shape, is brought out through the diaphragm into the fairing cavity and connected to the resonator bottoms made in the form of precision membranes located on the inner surface of the fairing and filled viscous inert liquid / denser phase /, for example, a composition made on the basis of polymethylsiloxane liquid type PMS GOST 13032-77 or based on cr of an organosilicon liquid type PES-V GOST 16480-70 which is not mixed with the environment / less dense phase /, while the cavity of each resonator is connected to the environment through capillaries made in the fairing body in a plane parallel to the planes of the membranes and the sensing element, as well as gas a cylinder, an actuator, a safety valve and a compensation mechotron, the pin of which is connected to the zero-setting mechanism of the bellows sensor, and the electrical leads are connected via an electronic unit to tion mechanism associated with the gas cylinder, the safety valve is sealed at the end of the fairing.

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.The electronic unit consists of switching circuits for measuring and compensating mechanotrons assembled according to the bridge circuit, differential buffer stages performed on operational amplifiers of type 1409D7 and a comparator of type 521CA3 loaded on a relay of type RES-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.The HFP case is made in the form of a pear-shaped body of revolution. The shape of the housing is selected from the condition of eliminating the occurrence of additional interference in the form of vortex formations at the points of contact of the external medium through capillaries with a liquid located in the cavities of the resonators.

Связь ГФП с постом регистрации, индикации и управления осуществлена с помощью герметичной водонепроницаемой приборной вилки типа 2РМГД24Б10Ш5Е2.The connection of the HFP with the post of registration, indication and control is carried out using a sealed waterproof instrument plug type 2RMGD24B10Sh5E2.

В основу построения упомянутого устройства положено явление переноса импульса, которое наиболее полно описывает механизм силового 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.The basis for the construction of the mentioned device is the phenomenon of momentum transfer, which most fully describes the mechanism force interaction of a solid with a liquid, as well as hydrophysical features and patterns of phenomena that occur on the interfaces between two immiscible liquids of different densities and viscosities and a solid.

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.On the interface of two phases / two immiscible liquids / as a result of different intermolecular interactions in the adjacent phases, the resultant forces applied to the area of the interface layer directed inside the denser phase are found. And on the interface between these liquids and a solid, the properties of surface tension cause special phenomena, which are manifested in the formation of capillary waves during disturbances in the external environment. In this case, the existence of stability and equilibrium depends on the magnitude of the tension on the interface and on the degree of wetting. In this case, liquid lenses are formed inside a liquid of a denser phase enclosed in capillaries. This interaction allows us to record small additional local changes in the statistical structure of the hydrophysical field of the liquid.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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^-3 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.When the transfer momentum in the external medium changes over a quasi-stationary interface, a vertical pulse gradient is created. As a result, the motion in the external medium at the interface becomes unstable and breaks up into separate vortices, which create a pulsating pressure flow over the interface, which leads to the formation of primary capillary waves in the denser phase of the liquid and a change in the energy saturation of short waves in liquid lenses. This, in turn, leads to the formation of waves in the resonators, which through the membranes act on the sensitive element of the measuring unit of the device and cause its oscillations, which, in turn, are transmitted to the moving electrodes of the measuring mechatronic, which leads to a change in the output signal in the anode circuit of the measuring a mechotron connected by a bridge circuit. When the output resistance is equal to / 1.5-2 / kOhm and the sensitivity of the mechanotron to pressure is equal to / 1-5 / · 10 ^-3 μA / Pa, the output signal will be equal to / 2-10 / μV / Pa. The output voltage of the measuring mechatronic is supplied to a differential stage made on a 140UD7 microcircuit. The voltage from the output of the differential stage is supplied for further use, for example, at the registration, display and control post.

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_m, снимаемое с буферного каскада, выполненного на микросхеме 140УД7, не превышает величины U_m≤U_оп+U_см /где U_оп - опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона Д818Е, а U_см - напряжение смещения компаратора/, то выход компаратора закрыт, исполнительный механизм обесточен и газовый баллон закрыт. Если же U_m>U_оп+U_см, то выход компаратора открывается, исполнительный механизм срабатывает и давление в полости обтекателя Р₁ повышается за счет поступления в полость сжатого воздуха из газового баллона до величины Р₂ - давления внешней среды. При Р₁=Р₂ U_m≤U_оп+U_см, исполнительный механизм обесточивается и поступление воздуха из газового баллона прекращается. При Р₁>Р₂ U_m>U_оп+U_см при закрытом выходе компаратора срабатывает предохранительный клапан и давление уравновешивается, т.е. Р₁=P₂.A change in the depth of immersion in the surrounding HFP environment leads to a change in hydrological conditions due to the nature of the distribution of various environmental parameters. Adaptation of HFP to these changes is carried out by balancing the pressure in the cavity of the fairing and in the external environment. The balancing of the pressure is as follows. If the output voltage of the compensation mechotron-U _m , taken from the buffer cascade made on the 140UD7 chip, does not exceed U _m ≤U _op + U _cm / where U _op is the reference voltage taken from the Zener diode D818E, and U _cm is the bias voltage of the comparator /, then the comparator output is closed, the actuator is de-energized and the gas bottle is closed. If U _m > U _op + U _cm , then the comparator output opens, the actuator is activated and the pressure in the cavity of the fairing P ₁ increases due to the entry of compressed air from the gas cylinder into the cavity to the value of P ₂ - environmental pressure. When P ₁ = P ₂ U _m ≤U _op + U _cm , the actuator is de-energized and the flow of air from the gas cylinder stops. When P ₁ > P ₂ U _m > U _op + U _cm when the comparator output is closed, the safety valve is activated and the pressure is balanced, i.e. P ₁ = P ₂ .

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.This device is designed to measure small changes in the transfer momentum. However, the increased output impedance /> 1.5 KΩ / of the measuring unit of the device leads to an increase in thermal noise and to a narrowing of the dynamic range in the region of small / threshold / signals. In addition, the measuring mechotron is inherent in all the noise that occurs in electrovacuum devices / for example, the noise of the redistribution currents between the electrodes, the noise due to the high temperature of the cathode or heater and others, and the elastic properties of the mechanical elements of the measuring unit / for example, the measuring element, diaphragm and others / made of polycrystalline materials, generate the hysteresis phenomenon / in particular, the lag of the output signal from the input effect / and the elastic aftereffect.

Описанные недостатки существенно снижают класс точности измерения малых изменений импульса переноса, обусловленных движущимся в погруженном положении объектом типа ПДСС, особенно в области пороговых сигналов.The described disadvantages significantly reduce the accuracy class of measuring small changes in the transfer momentum caused by an object moving in a submerged position like PDSS, especially in the region of threshold signals.

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.The aim of the invention is to increase the sensitivity and measurement accuracy of small changes in the transfer pulse by reducing the output impedance of the measuring unit, reducing the intrinsic noise to the level of thermal noise and reducing the steps of converting the input energy of the transfer pulses into output electrical signals.

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.This goal is achieved due to the fact that in a hydrophysical transducer consisting of a sealed enclosure with a cover in which interconnected measuring unit with a sensing element and an electronic unit are installed, the sensitive element of the measuring unit is made on the basis of a semiconductor single crystal double strain gage with a midpoint output with thickenings at the ends and in the middle to create ohmic contacts on them with a low current density, while the sensitive element consists of The measuring and thermal compensation symmetric working parts, the length and cross section of which are selected so that in the entire range of working depths and measured values at unacceptable / emergency / overloads, the sensitive element does not lose longitudinal stability, with an average thickening, the sensitive element is rigidly mounted on the contact area along the axis of the fairing, and with thickenings at its ends, in the center of the cavity bottom made in the form of a precision membrane, perpendicular to the plane of the cavity and on a rigid support without compression - astyazheniya respectively measurement and compensation units.

Кроме того, чувствительный элемент выполнен в виде тонкой струны.In addition, the sensitive element is made in the form of a thin string.

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.In addition, in order to prevent the destruction of the sensitive element in the entire range of measured values, the transitions between the working parts of the sensitive element and the bulges are made according to the principle of an equal resistance rod.

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.In addition, in order to increase the accuracy of measurements of small changes in the transfer pulse without affecting the sensitivity during the adaptation period, the electronic unit introduced an integrator with an active integration chain, made, for example, on an operational amplifier, connected to the output of the measuring circuit of the sensitive element, and the output to the input of the comparator loaded on the actuator control relay.

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.Such a construction of the device provides an increase in the sensitivity and accuracy of measurements of small changes in the transfer momentum over the entire range of operating depths of immersion caused by disturbances caused by an object moving in the submerged position of a PDSS type, due to the fact that the internal resistance of a semiconductor single-crystal double strain gauge is about 100-500 Ohm, which provides a reduction in noise; the elastic properties of single crystals are several orders of magnitude higher than the elastic properties of prototype elements made of polycrystalline materials, and of the noise mentioned single crystals inherent only thermal noise, which is significantly reduced by compensation made by the thermal compensation part of the sensitive element, which leads to an increase in the signal-to-noise ratio, this, in turn, pushes the sensitivity threshold into the region of small / threshold / signals. The reduction of the steps of converting the input energy of the transfer pulse into output electrical signals reduces the loss of information in the measuring unit.

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.This technical solution meets the criteria ″ significant differences ″ and ″ novelty ″, since all of the above characteristics in this combination are organically linked, significant, necessary and sufficient to ensure the task.

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.All the signs in the inventive device are known separately, but in the totality in which they are stated in the proposed technical solution, they are not found in analogues, nor in the prototype, nor in other sources of information available to the applicant and the authors. Moreover, the claimed combination of features exhibits a new property that is not found in any of the known objects, namely: to measure small changes in the transfer momentum in the region of small / threshold / signals in the entire range of working depths with increased accuracy and sensitivity of measurements.

Поэтому предложенное решение соответствует критериям ″существенные отличия″ и ″новизна″.Therefore, the proposed solution meets the criteria ″ significant differences ″ and ″ novelty ″.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

На фиг. 1 - гидрофизический преобразователь, общий вид;In FIG. 1 - hydrophysical transducer, General view;

На фиг. 2 - электронный блок, схема электрическая;In FIG. 2 - electronic unit, electrical circuit;

На фиг. 3 - электронный блок, схема монтажная;In FIG. 3 - electronic unit, wiring diagram;

На фиг. 4 - измерительный блок, конструкция.In FIG. 4 - measuring unit, design.

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/·10² 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.Hydrophysical Converter / cm. FIG. 1, 4 / consists of a sealed housing 1 with a cover 2, in which are interconnected measuring unit 3 with a sensing element 4 and an electronic unit 5. The sensing element 4 is made on the basis of a semiconductor single-crystal strain gauge with a strain sensitivity coefficient K = / 1 ÷ 1,2 / · 10 ² in the form of a thin string with a diameter of 12-30 microns with a conclusion from the midpoint with thickenings 6 and 7 at the ends and 8 in the middle to create ohmic contacts on them with a low current density and consists of two symmetrical working parts - measuring 4-1 and thermal compensation 4-2. The thickening 6 of the measuring part 4-1 of the sensing element 4 is rigidly fixed in the center of the bottom of the resonator 9, made in the form of a flat precision membrane 10 with a radius of about 8 mm, perpendicular to the plane of the latter. The middle terminal 8 is rigidly mounted on the contact pad 11 on the axis of the fairing 12, and the free end 7 of the temperature compensation part 4-2 of the sensing element 4 is on a rigid support 13 without compression-tension. Moreover, to prevent the destruction of the sensitive element 4 in the entire range of measured values, the transitions between its working parts and thickenings are made on the principle of an equal resistance rod. This implementation of the transitions during unacceptable / emergency / overloads causes a smooth bending of the sensitive element 4 / more precisely its measuring part 4-1 / without destruction. Elastic forces return the sensing element 4 after removal of the aforementioned overloads to their original position without permanent deformations.

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.The resonator 9 is placed on the inner surface of the fairing 12, the housing of which is integral with the housing 1 of the HFP. The internal cavity of the resonator 9 is filled with a wettable viscous inert liquid / denser phase /, for example, a composition made on the basis of polymethylsiloxane liquid type PMS GOST 13032-77 or on the basis of organosilicon liquid type PES-B GOST 16480-70 not mixed with the surrounding liquid medium / less dense phase /, while the cavity of the resonator 9 is connected to the environment through capillaries 14 made in the body of the fairing 12 in the plane parallel to the plane of the membrane 10. In addition, the claimed HFP contains a gas cylinder 15, example, from a household gas lighter with a filling valve and a throttle valve, actuator 16 / for example, a DC magnet with parameters: voltage - 12 V; current - 0.35 A; the number of turns - 1500 wire PETV-0.18 or PETV-0.22; core with a diameter of 3 ÷ 3.5 mm, length 27 mm, material - ARMKO steel mechanically connected by a lever with a throttle valve of a gas cylinder 15 /. The entire actuator 16 is hermetically closed by a casing 17 mounted using a figured clamp on the cylinder 15. At the end of the fairing 12, a safety valve 18 is sealed.

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.The electronic unit is 5 / cm. FIG. 2, 3 / consists of a measuring circuit for including a sensitive element 4 / TR1 and TR2 /, assembled according to a bridge circuit; an integrator made on an operational amplifier A1 of type 140UD7 with active / C1-R1 / and passive / C2-R2 / integration circuits, the input of which is connected to the output of the measuring circuit, and the output is the output of the HFP; a differential buffer cascade made on an operational amplifier A2 of type 140UD7 and elements C4, R5, R6, the input of which is connected to the output of the measuring circuit, and the output is connected to the input of the comparator A3 with a variable resistor R8, assembled on a type 521CA3 chip and loaded on relay 34 / P1 / type RES-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.The shape of the housing 1 is selected from the condition of eliminating the occurrence of additional interference in the form of vortex formations at the points of contact of the external environment through capillaries 14 with a liquid located in the cavity of the resonator 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.The connection of the hydrophysical transducer with the registration, display and control station using a sealed, waterproof instrument plug 19, for example, type 2RMGD24B10Sh5E2, which is connected to the electronic unit 4 and is tightly mounted on the cover 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.HFP assembly is as follows / cm. FIG. 1 and 4 /. In the cell 20 of the design of the measuring unit 3, the resonator 9 is tightly and firmly inserted. In the center of the bottom of the latter, for example, with the help of epoxy adhesive such as Сп Octopus ’and others, the ohmic contact 6 of the sensing element 4 is strengthened, the middle point 8 of which also, with the help of glue strengthen on the contact pad 11 of the rigid ribs 21 so that the measuring part of the sensing element 4 is perpendicular to the plane of the bottom of the resonator made in the form of a precision membrane 10. Ohmic contact 7 of the thermal compensation part of the sensitive about element 4 without compression-tension is strengthened on the contact pad 22 of the rigid support 13. The conclusions from the ohmic contacts 6, 7 and 8 are led out through the flange 23, and the outlet is sealed with a sealant, for example, type UT-32 TU38.1051386-80. Using the guides 24 install the measuring unit 3 in a special groove in the body of the fairing 12 and secure. On the bracket 25, mounted on the inner wall of the housing 1, install the plug 26 / for example, type MPH 14-1 / and using the same socket with it 27, install the electronic unit 5, and the free face is fixed on the bracket 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.Then the gas cylinder 15 with the actuator 16 closed by a sealed housing 17 is fixed in the holder 29 / for example, type AB8.126.625-19-20-48 OST 4G0.812.000 /, and the outlet pipe 30 is hermetically inserted through the flange 23 into the cavity fairing 12. At the end of the latter install a safety valve 18, with which the sealing gasket 31 and seal the cavity of the fairing 12. Then, by connecting the electrical circuit of the measuring unit 3 with the electronic unit 5, and the last with the plug 19, the cavity of the housing 1 is closed by a cover 2 and seal with the help of nut 32 and gasket 33. All places of tight joints and contacts are additionally sealed with sealant.

Параллельно со сборкой и соединением по электрическим цепям узлов и блоков ГФП осуществляют их настройку. Проверяют работоспособность узлов, блоков и ГФП в целом.In parallel with the assembly and connection on the electrical circuits of the nodes and HFP units, they are configured. Check the performance of nodes, blocks and HFP as a whole.

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^-6. Это приводит к относительным изменениям сопротивления и выходного сигнала порядка 5·10^-4, что соответствует выходному сигналу равному 500 мкВ/Па и не зависящему от выходного сопротивления.When the transfer momentum in the external medium changes over a quasi-stationary interface, a vertical pulse gradient is created. As a result, the motion in the external environment at the interface becomes unstable and breaks up into separate vortices, which create a pulsating pressure flow over the interface, which leads to the formation of primary capillary waves in the denser liquid phase and a change in the energy saturation of short waves in liquid lenses. This, in turn, leads to the formation of waves in the resonator 9, which through the membrane 10 act on the measuring part 4-1 of the sensing element 4, which leads to a change in the output signal of the bridge circuit for switching on the sensing element 4, that is, the measuring unit 3. Under the action the fluctuation of the pressure over the interface in 1 Pa, the measuring part 4-1 of the element 4 experiences a relative deformation ε = 5 · 10 ^-6 . This leads to relative changes in the resistance and output signal of the order of 5 · 10 ^-4 , which corresponds to an output signal of 500 μV / Pa and independent of the output resistance.

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.The output signal of the measuring unit 3 is simultaneously used to obtain information about the presence of changes in the transfer pulse in the sensitivity zone of the HFP, as well as about changes in static pressure associated with changes in the working depth.

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/.Separation of the aforementioned signal through the channels was carried out using an integrator A1 with active / C1-R1 / and passive / C2-R2 / integration circuits and a differential buffer stage A2 with elements C4, R5, R6. The described devices perform the functions, respectively, of high-pass filters - HF / A1, R1, R2, R3, C1, C2, C3 / and low-pass filters - LF / A2, C4, 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.The limitation in the field of high frequencies / or high-frequency noise / is carried out by selecting the ratio of the denominations of the elements C1 and C2, and the value of the required gain - elements R1 and 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.The time constant of the lowpass filter is selected based on the maximum possible rate of change of working depths. The lower frequencies are limited by selecting the value of the element C3, based on the condition of not transmitting signals / i.e. interference from the actuator control circuit 16.

Сигнал с выхода интегратора А1 подают для дальнейшего использования, например, на пост регистрации, индикации и управления.The signal from the output of the integrator A1 serves for further use, for example, at the post registration, display and control.

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_см которого осуществляют переменным резистором R8. Если напряжение - U_m, снимаемое с дифференциального буферного каскада А2, не превышает величины U_m≤U_оп+U_см /где U_оп - 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_m>U_оп+U_см /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 Р₂ - давления внешней среды. При Р₁=Р₂ U_m=U_оп+U_см реле Р1 срабатывает, обмотка исполнительного механизма 16 обесточивается и поступление сжатого воздуха из баллона 15 прекращается. При Р₁>Р₂ /рабочая глубина уменьшается/ U_m>U_оп+U_см срабатывает при закрытом выходе компаратора A3/ предохранительный клапан 18 и давление уравновешивается, то есть Р₁=P₂.In order to improve the accuracy of measurements of small changes in the transfer pulse without affecting sensitivity when changing the working depth of immersion by adapting to changing hydrological conditions, due to the nature of the distribution of various environmental parameters, the static component of the output signal of the measuring unit 3 from the output from the differential buffer stage A2 is fed to the input of the comparator A3 , the change in bias voltage U _cm which is carried out by a variable resistor R8. If the voltage - U _m taken from the differential buffer cascade A2 does not exceed the value U _m ≤U _op + U _cm / where U _op is the reference voltage taken from the zener diode VD1 /, then the output of the comparator A3 is closed, and the winding of the actuator 16 through the contacts of the relay 34 / P1 / de-energized and the throttle valve of the gas cylinder 15 is closed. If U _m > U _op + U _cm / working depth increases /, then the output of comparator A3 opens, relay P1 is activated, actuator 16 opens the throttle valve of the gas cylinder 15 and the pressure inside the fairing P increases due to the flow into the cavity of the fairing 12 compressed air / or inert gas / from cylinder 15 to a value of P ₂ - pressure of the external environment. When P ₁ = P ₂ U _m = U _op + U _cm relay P1 is activated, the winding of the actuator 16 is de-energized and the flow of compressed air from the cylinder 15 is stopped. When P ₁ > P ₂ / the working depth decreases / U _m > U _op + U _{cm is} triggered when the comparator A3 is closed (pressure relief valve 18) and the pressure is balanced, that is, P ₁ = P ₂ .

Предлагаемый ГФП по сравнению с прототипом обладает следующими основными параметрами:The proposed HFP in comparison with the prototype has the following main parameters:

прототипprototype заявляемый ГФПclaimed HFP масса, не более, гmass, not more than, g - 400- 400 - 200- 200 напряжение накала, Вglow voltage, V - 6,3- 6.3 -- напряжение питания, Вsupply voltage, V - 12- 12 - 12- 12 чувствительность к давлениям, мкВ/Паpressure sensitivity, μV / Pa - 2-10- 2-10 - 500- 500 энергопотребление, не более Втpower consumption, no more than W - 3,5; в период адаптации до 7- 3.5; during adaptation to 7 - 2; в период адаптации до 4,5- 2; during adaptation up to 4.5 долговечность, чdurability, h - 2000- 2000 до 4000up to 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.Thus, the proposed hydrophysical transducer provides an increase in the sensitivity and accuracy of measuring small changes in the hydrological characteristics of the liquid in comparison with the prototype, especially in the field of small / threshold / signals, 50-250 times, is intended for use in detection systems of objects like PDSS by measuring small local changes in the momentum of transfer caused by their movement, as well as for peaceful application in scientific research of sea physics. The hydrophysical transducer can be used in both single-channel and multi-channel systems.

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. The inventive hydrophysical converter is technologically advanced in manufacture, it uses elements and assemblies commercially available from the industry. The manufacture of constituent elements, for example, a sensing element, a resonator, housings, a safety valve, an electronic unit board does not present technical difficulties.

Claims

A hydrophysical transducer comprising a sealed housing with a cover in which interconnected measuring unit with a sensing element and an electronic unit are installed, the sensing element is placed inside the hollow fairing and connected to the cavity bottom made in the form of a membrane located on the inner surface of the fairing and filled with a viscous inert liquid, this cavity of the resonator is connected to the environment through capillaries made in the body of the fairing in a plane parallel to the plane of the meme wounds, as well as a gas cylinder connected to the actuator, and a safety valve sealed at the end of the fairing, characterized in that, in order to increase the sensitivity and accuracy of measurement of small changes in the transfer pulse, the sensitive element in it is made on the basis of a semiconductor single crystal double strain gauge in the form of a cylindrical rod of equal resistance with a conclusion from the midpoint, with thickenings at the ends and in the middle and consists of measuring and thermal compensation symmetrical in geometrical and electrical parameters of the working parts, while the sensitive element through the binder with an average thickening is rigidly fixed to the contact area along the axis of the fairing, a thickening at the end of the measuring part is fixed in the center of the bottom of the resonator perpendicular to its plane, and a thickening at the end of the thermal compensation part is fixed to rigid support.