RU2440912C1

RU2440912C1 - Instrument to measure ship roll and pitch in sea motions

Info

Publication number: RU2440912C1
Application number: RU2010124441/11A
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Алексеев (RU); Сергей Викторович Алексеев
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2012-01-27
Also published as: RU2010124441A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to ship building, particularly, to devices measuring ship pitch and roll in whatever operating conditions. Proposed device comprises communicated vessels made up of sections of tubular annular channels tightly communicated in their upper and lower parts. Said vessels are partially filled with electrically conducting fluid not mixing with dielectric fluid. Angle transducer is made up of electrically conducting and dielectric fluids and sections of tubular annular channel made from electrically conducting material with their inner surface uniformly coated by unwettable dielectric. Electronic transducer connected with each electrically separated conducting sections of tubular annular channel and electrically conducting fluid, restricting orifice and scale. Angle transducer made up of sections of tubular annular channel wherein annular channel is formed around axis in symmetry about plane located on annular channel circular axis, has its electrically conducting material and unwettable dielectric provided with through slots surrounding conducting-dielectric fluid interface displacement boundaries. Every aforesaid slot in dielectric of one section of tubular annular section is tightly communicated with the slot in dielectric of another section of tubular annular section with the help of mainly flat membranes from unwettable dielectric arranged in parallel and symmetry about plane located on annular channel circular axis.

EFFECT: higher reliability and accuracy.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения, в частности к средствам измерения крена или дифферента плавучих средств как в условиях волнения и качки, так и на спокойной воде, включая аварийные ситуации.The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to means for measuring the heel or trim of floating equipment, both under conditions of agitation and rolling, and in calm water, including emergency situations.

Известно устройство для измерения угла крена или дифферента плавучего средства на волнении (см. изобретение по патенту РФ №2277057), принятое в качестве прототипа, содержащее сообщенные между собой сосуды, выполненные в виде участков трубчатого кольцевого канала, образованного вращением контура плоской фигуры вокруг оси, лежащей в плоскости этой фигуры и не пересекающей ее, которые герметично сообщены в своих верхних и нижних частях, при этом сосуды частично заполнены электропроводной жидкостью, находящейся в районе уровня горизонтальной плоскости, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал, причем сосуды, имеющие по длине постоянное поперечное сечение, имеют симметричную форму контура плоской фигуры этого сечения относительно осей симметрии, например круга, дроссель, датчик угла, электронный преобразователь и шкалу. При этом датчик угла образован участками трубчатого кольцевого канала, выполненными из электропроводящего материала, внутренняя поверхность которых равномерно покрыта несмачиваемым диэлектриком и электропроводной жидкостью с находящейся над ней, не смешиваемой с последней диэлектрической жидкостью, которой полостью заполнено герметичное пространство над электропроводной жидкостью, причем участки трубчатого кольцевого канала в своей верхней части сообщены между собой через дроссель, при этом электронный преобразователь электрически соединен порознь с каждым из электрически разделенных между собой электропроводящих участков трубчатого кольцевого канала и с электропроводной жидкостью.A device for measuring the angle of heel or trim of a floating vessel on a wave (see the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2277057), adopted as a prototype, containing interconnected vessels made in the form of sections of a tubular annular channel formed by rotation of the outline of a flat figure around an axis, lying in the plane of this figure and not intersecting it, which are hermetically communicated in their upper and lower parts, while the vessels are partially filled with an electrically conductive liquid located in the horizontal level a plane coinciding with the axis around which an annular channel is formed, and vessels having a constant cross-sectional length have a symmetrical contour shape of a flat figure of this section relative to the axis of symmetry, for example, a circle, a throttle, an angle sensor, an electronic transducer and a scale. In this case, the angle sensor is formed by sections of a tubular annular channel made of an electrically conductive material, the inner surface of which is uniformly coated with a non-wettable dielectric and an electrically conductive fluid above it, not miscible with the last dielectric fluid, with which a sealed space is filled above the electrically conductive fluid, and the tubular annular portions the channels in their upper part are interconnected via a throttle, while the electronic converter is electrically cally coupled separately to each of the electrically separated by a tubular conductive portions of the annular channel and the conductive liquid.

В указанном устройстве при его наклонении (в плоскости измерения угла крена или дифферента, а также для обеспечении точности и быстродействия такого измерения) необходимо, чтобы весь объем содержащихся в нем электропроводной и диэлектрической жидкостей без значительной задержки переместился в кольцевом канале (вдоль круговой оси этого канала) в новое положение, при котором плоскости поверхностей раздела этих жидкостей в каждом из участков трубчатого кольцевого канала в идеале совпадут с горизонтальной плоскостью, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал. Однако при этом внешнее трение между всеми поверхностями кольцевого канала и соприкасающимися с ними электропроводной и диэлектрической жидкостями, а также внутреннее трение между слоями этих жидкостей по всей длине кольцевого канала не дают возможности без задержки перемещаться в кольцевом канале поверхностям раздела данных жидкостей в указанное новое положение. Это снижает точность и быстродействие работы устройства.In the indicated device, when it is inclined (in the plane of measuring the angle of heel or trim, and also to ensure the accuracy and speed of such a measurement), it is necessary that the entire volume of electrically conductive and dielectric fluids contained in it move without significant delay in the annular channel (along the circular axis of this channel ) to a new position in which the planes of the interfaces between these liquids in each of the sections of the tubular annular channel ideally coincide with a horizontal plane coinciding with the axis, the district of which is formed by an annular channel. However, the external friction between all surfaces of the annular channel and the electrically conductive and dielectric liquids in contact with them, as well as the internal friction between the layers of these liquids along the entire length of the annular channel, do not allow the interfaces of these liquids to move to the indicated new position without delay. This reduces the accuracy and speed of the device.

Также при изменении температуры окружающей среды (особенно в аварийных условиях) и соответственно изменении температуры данного устройства в нем будут расширяться или сжиматься электропроводная и диэлектрическая жидкости. Это может привести к деформации отдельных элементов устройства, изменению положения уровня поверхностей раздела указанных жидкостей в кольцевом канале относительно горизонтальной плоскости, совпадающей с осью, вокруг которой образован кольцевой канал, и соответственно к дополнительному снижению точности, а также к снижению надежности работы этого устройства.Also, when the ambient temperature changes (especially in emergency conditions) and, accordingly, the temperature of this device changes, the electrically conductive and dielectric liquids will expand or contract in it. This can lead to deformation of individual elements of the device, a change in the position of the level of the interface surfaces of these liquids in the annular channel relative to the horizontal plane coinciding with the axis around which the annular channel is formed, and, accordingly, to an additional decrease in accuracy, as well as to a decrease in the reliability of this device.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности, быстродействия и надежности работы устройства в эксплуатационных и аварийных условиях.The present invention is aimed at solving the problem of improving the accuracy, speed and reliability of the device in operational and emergency conditions.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве в датчике угла, образованном участками трубчатого кольцевого канала, в этих участках со стороны оси, вокруг которой образован кольцевой канал, симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, в электропроводящем материале и в несмачиваемом диэлектрике выполнены сквозные щели, охватывающие пределы перемещения границ раздела электропроводной и диэлектрической жидкостей, при этом каждая из щелей в диэлектрике одного участка трубчатого кольцевого канала герметично сообщена со щелью в диэлектрике другого участка трубчатого кольцевого канала преимущественно с помощью плоских мембран из несмачиваемого диэлектрика, размещенных параллельно и симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала.The technical result is achieved by the fact that in the known device in the angle sensor formed by the sections of the tubular annular channel, in these sections, on the axis side around which the annular channel is formed, is symmetrical about a plane lying on the circular axis of the annular channel in the electrically conductive material and in the non-wettable dielectric through slots are made, covering the limits of movement of the interface between the conductive and dielectric fluids, with each of the slots in the dielectric of one section of the tubular ring the channel is hermetically connected with the gap in the dielectric of another section of the tubular annular channel, mainly using flat membranes of non-wettable dielectric placed parallel and symmetrically relative to the plane lying on the circular axis of the annular channel.

Выполнение в таком виде датчика угла позволяет сохранить линейную зависимость изменения электрического сигнала от изменения угла наклонения, широкий диапазон измерения этих углов, сохранить надежность работы при ударах и вибрации, существенно повысить точность и быстродействие работы устройства в статике и в динамике, а также позволяет повысить надежность работы устройства в аварийных ситуациях - при повышенных и пониженных температурах. При этом выполнение сквозных щелей в участках трубчатого кольцевого канала, в которых со стороны оси, вокруг которой он образован, симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, в электропроводящем материале и в несмачиваемом диэлектрике, в пределах перемещения границ раздела электропроводной и диэлектрической жидкостей, а также герметичное сообщение каждой из щелей в диэлектрике одного участка трубчатого кольцевого канала со щелью в диэлектрике другого участка трубчатого кольцевого канала позволяет обеспечить при наклонении устройства (в плоскости измерения угла крена или дифферента) переток электропроводной и диэлектрической жидкостей не только по кольцевому каналу, где велико отрицательное влияние внешнего и внутреннего трения на точность и быстродействие устройства, но и через щели и пространство между мембранами. При этом прямой переток избытка диэлектрической жидкости из одного участка трубчатого кольцевого канала (через щели и пространство между мембранами) осуществляется в другой участок трубчатого кольцевого канала над общей поверхностью раздела указанных жидкостей в одном горизонтальном направлении, а одновременно из последнего в первый участок трубчатого кольцевого канала осуществляется переток (через щели и пространство между мембранами) электропроводной жидкости в другом горизонтальном направлении под общей поверхностью раздела указанных жидкостей.The implementation of the angle sensor in this form allows you to maintain a linear dependence of the change in the electrical signal on the change in the angle of inclination, a wide range of measurement of these angles, maintain reliability during shock and vibration, significantly improve the accuracy and speed of operation of the device in statics and dynamics, and also improves reliability device operation in emergency situations - at elevated and lower temperatures. In this case, the implementation of through slots in portions of the tubular annular channel, in which, from the side of the axis around which it is formed, is symmetrical with respect to the plane lying on the circular axis of the annular channel in the electrically conductive material and in the non-wettable dielectric, within the boundaries of the displacement of the conductive and dielectric liquids , as well as the tight communication of each of the slots in the dielectric of one section of the tubular annular channel with the gap in the dielectric of another section of the tubular annular channel allows at careless inclination devices (roll angle measuring plane or trim) the flow of conductive and dielectric fluids not only through the annular passage where large negative effect of external and internal friction on the accuracy and speed of the device, but also through the gap and the space between the membranes. In this case, the direct flow of excess dielectric fluid from one section of the tubular annular channel (through slots and the space between the membranes) is carried out to another section of the tubular annular channel above the common interface of these liquids in one horizontal direction, and simultaneously from the last to the first section of the tubular annular channel flow (through the slots and the space between the membranes) of the electrically conductive fluid in another horizontal direction under the common interface liquids than those indicated.

Наличие в устройстве мембран из диэлектрика, размещенных параллельно и симметрично относительно плоскости, лежащей на круговой оси кольцевого канала, а также использование электропроводной и диэлектрической жидкостей с близкими по величине коэффициентами объемного расширения при изменении температуры окружающей среды позволяет при изменении объема этих жидкостей (в пределах упругой деформации указанных мембран) избежать существенного изменения давления внутри кольцевого канала и соответственно избежать деформаций отдельных элементов устройства, а также избежать существенного изменения уровня поверхности раздела указанных жидкостей.The presence in the device of dielectric membranes arranged in parallel and symmetrically with respect to a plane lying on the circular axis of the annular channel, as well as the use of electrically conductive and dielectric fluids with similar volume expansion coefficients when the ambient temperature changes, allows the volume of these liquids to vary (within the elastic deformation of these membranes) to avoid a significant change in pressure inside the annular channel and, accordingly, to avoid deformation of individual elements entov device, as well as to avoid significant changes in the level of the interface surface of these liquids.

При этом сохранится минимальное влияние углов дифферента и качки при измерении углов крена, а также сохранится минимальное влияние углов крена и качки при измерении углов дифферента.At the same time, the minimal influence of the trim and pitch angles when measuring the roll angles will be preserved, and the minimal influence of the roll and pitch angles when measuring the trim angles will be preserved.

Участки трубчатого кольцевого канала, выполненные из электропроводящего материала с диэлектрическим покрытием, совместно с электропроводной и диэлектрической жидкостями образуют конденсаторы переменной емкости, емкость которых изменяется от измеряемого угла наклонения.The sections of the tubular annular channel made of electrically conductive material with a dielectric coating, together with electrically conductive and dielectric fluids, form capacitors of variable capacitance, the capacitance of which varies from the measured angle of inclination.

Электронный преобразователь, электрически соединенный порознь с каждым из электрически разделенных между собой электропроводящих участков трубчатого кольцевого канала и с электропроводной жидкостью, обеспечивает преобразование разности емкостей указанных конденсаторов в линейный электрический сигнал.An electronic converter, electrically connected separately from each of the electrically conductive sections of the tubular annular channel and the electrically conductive liquid, converts the difference in capacitance of these capacitors into a linear electrical signal.

Результаты измерений углов в статике и в динамике и их сравнение с использованием двух вариантов устройства (прототипа и предлагаемого) показали многократное преимущество (в части точности и быстродействия) предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.The results of measurements of angles in statics and dynamics and their comparison using two device options (prototype and proposed) showed a multiple advantage (in terms of accuracy and speed) of the proposed device compared to the prototype.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для измерения угла крена или дифферента плавучего средства на волнении. На фиг.2 показан разрез по А-А устройства, представленного на фиг.1.The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a device for measuring the angle of heel or trim of a floating means on a wave. Figure 2 shows a section along aa of the device shown in figure 1.

Устройство состоит из герметично сообщающихся в верхней части через дроссель 1 сосудов 2 и 3, выполненных из электропроводящего материала в виде участков трубчатого кольцевого канала, внутренняя поверхность которых равномерно покрыта несмачиваемым диэлектриком 4 (например, фторопластом), которые также герметично сообщены между собой в своей нижней части и разделены между собой электрически в своих верхних и нижних частях (причем дроссель 1 может быть выполнен, например, в виде вставки в кольцевой канал). При этом в сосудах 2 и 3, выполненных в виде участков трубчатого кольцевого канала со сквозными щелями 5 в электропроводящем материале и щелями 6 в несмачиваемом диэлектрике 4, каждая из щелей 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 одного участка трубчатого кольцевого канала герметично сообщена со щелью 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 другого участка трубчатого кольцевого канала преимущественно с помощью плоских мембран 7 из несмачиваемого диэлектрика. В сосуды 2 и 3, а также в сообщающееся с ними через щели 6 пространство между мембранами 7 частично залита электропроводная жидкость 8 с находящейся над ней, несмешиваемой с последней, диэлектрической жидкостью 9, которой полностью заполнено герметичное пространство над электропроводной жидкостью 8. При этом электропроводная жидкость 8 имеет больший удельный вес по сравнению с диэлектрической жидкостью 9, а сосуды 2 и 3 имеют по длине постоянное поперечное сечение и симметричную форму контура плоской фигуры этого сечения относительно его осей симметрии, например круга, квадрата. Электронный преобразователь 10 электрически соединен порознь с каждым из электрически разделенных (с помощью изоляторов) между собой сосудов 2 и 3 (выполненных из электропроводящего материала) и с электропроводной жидкостью 8, например, через электрод 11.The device consists of vessels 2 and 3, hermetically connected in the upper part through the choke 1, made of electrically conductive material in the form of sections of a tubular annular channel, the inner surface of which is uniformly coated with a non-wettable dielectric 4 (for example, fluoroplastic), which are also tightly communicated with each other in their lower parts and are separated electrically in their upper and lower parts (moreover, the inductor 1 can be made, for example, in the form of an insert in an annular channel). Moreover, in vessels 2 and 3, made in the form of sections of the tubular annular channel with through slots 5 in the electrically conductive material and slots 6 in the non-wettable dielectric 4, each of the slots 6 in the non-wettable dielectric 4 of one section of the tubular annular channel is hermetically connected with the slot 6 in the non-wettable dielectric 4 of another section of the tubular annular channel mainly using flat membranes 7 of non-wettable dielectric. In the vessels 2 and 3, as well as in the space between the membranes 7 communicating with them through the slots 6, the electrically conductive fluid 8 is partially filled with the above, immiscible with the last, dielectric fluid 9, which completely filled the sealed space above the electrically conductive fluid 8. In this case, the electrically conductive fluid 8 has a larger specific gravity than dielectric fluid 9, and vessels 2 and 3 have a constant cross-sectional length and a symmetrical contour shape of a flat figure of this cross-section relative to its axis symmetry, for example a circle, a square. The electronic converter 10 is electrically connected separately with each of the vessels 2 and 3 (made of electrically conductive material) electrically separated (using insulators) and with the electrically conductive liquid 8, for example, through an electrode 11.

Устройство работает следующим образом. При изменении угла крена (дифферента) плавучего средства электропроводная жидкость 8 и диэлектрическая жидкость 9 в сосудах 2 и 3, а также в пространстве между мембранами 7 будут перемещаться по дуговым траекториям. Одновременно при изменении угла крена (дифферента) в одном направлении электропроводная жидкость 8 будет перетекать из сосуда 2 через его щель 6 в несмачиваемом диэлектрике 4 в пространстве между мембранами 7 под поверхностью раздела жидкостей 8 и 9 в сосуд 3. При этом диэлектрическая жидкость 9 будет перетекать в обратном направлении из сосуда 3 через его щель 6 в его несмачиваемом диэлектрике 4 в пространстве между мембранами 7 над поверхностью раздела жидкостей 8 и 9 в сосуд 2 через его щель 6 в несмачиваемом диэлектрике 4. При этом конденсаторы, образованные сосудами 2 и 3, выполненными из электропроводящего материала, с нанесенным на их внутреннюю поверхность диэлектриком 4, электропроводной жидкостью 8 и диэлектрической жидкостью 9, изменяют свою емкость по линейной зависимости пропорционально перемещению поверхностей раздела, образованных электропроводной жидкостью 8 и диэлектрической жидкостью 9, в сосудах 2, 3 относительно продольных осей этих сосудов.The device operates as follows. When the angle of heel (trim) of the floating means changes, the electrically conductive fluid 8 and the dielectric fluid 9 in the vessels 2 and 3, as well as in the space between the membranes 7, will move along the arc trajectories. At the same time, when the angle of heel (trim) changes in one direction, the electrically conductive fluid 8 will flow from the vessel 2 through its slot 6 in the non-wettable dielectric 4 in the space between the membranes 7 under the interface between the fluids 8 and 9 into the vessel 3. In this case, the dielectric fluid 9 will flow in the opposite direction from the vessel 3 through its slot 6 in its non-wettable dielectric 4 in the space between the membranes 7 above the interface of liquids 8 and 9 into the vessel 2 through its slot 6 in the non-wettable dielectric 4. In this case, the capacitors formed by vessels 2 and 3 made of an electrically conductive material, with a dielectric 4, an electrically conductive fluid 8 and a dielectric fluid 9 deposited on their inner surface, change their capacitance linearly in proportion to the movement of the interface formed by the electrically conductive fluid 8 and the dielectric fluid 9 in the vessels 2, 3 relative to the longitudinal axes of these vessels.

При этом емкость одного такого конденсатора увеличивается, а в то же время емкость другого конденсатора уменьшается. При изменении направления перемещения поверхностей раздела электропроводной жидкости 8 и диэлектрической жидкости 9 в сосудах 2, 3 относительно продольных осей этих сосудов емкости указанных конденсаторов изменяются в обратном порядке. В электронном преобразователе 10 осуществляется преобразование разности емкостей указанных конденсаторов в линейный электрический сигнал, который также пропорционален текущему значению или среднему значению угла крена или дифферента плавучего средства.In this case, the capacitance of one such capacitor increases, while at the same time, the capacitance of another capacitor decreases. When changing the direction of movement of the interfaces between the electrically conductive fluid 8 and the dielectric fluid 9 in the vessels 2, 3 relative to the longitudinal axes of these vessels, the capacitances of these capacitors change in the reverse order. In the electronic Converter 10, the difference between the capacitances of these capacitors is converted into a linear electrical signal, which is also proportional to the current value or the average value of the angle of heel or trim of the floating means.

Указанный электрический сигнал может быть дистанционно передан для индикации, регистрации или последующей обработки, например, в ЭВМ.The specified electrical signal can be remotely transmitted for display, registration or subsequent processing, for example, in a computer.

При повышенных или пониженных температурах объемное расширение или сжатие электропроводной жидкости 8 и диэлектрической жидкости 9 и также повышенное или пониженное давление этих жидкостей в сосудах 2, 3, а также изменение положения уровня поверхностей раздела указанных жидкостей 8, 9 в сосудах 2, 3 компенсируется мембранами 7.At elevated or decreased temperatures, the volume expansion or contraction of the electrically conductive fluid 8 and the dielectric fluid 9 and also the increased or decreased pressure of these fluids in the vessels 2, 3, as well as a change in the position of the level of the interface surfaces of these liquids 8, 9 in the vessels 2, 3 are compensated by membranes 7 .

Claims

A device for measuring the angle of heel or trim of a floating vessel on a wave, containing interconnected vessels made in the form of sections of a tubular annular channel formed by rotating the outline of a flat figure around an axis lying in the plane of this figure and not intersecting it, which are hermetically communicated in their upper and the lower parts, while the vessels are partially filled with an electrically conductive liquid with located above it, immiscible with the last dielectric fluid, which is completely filled with a sealed transmissions over an electrically conductive fluid, wherein the electrically conductive fluid is in the region of a horizontal plane that coincides with the axis around which an annular channel is formed, while vessels having a constant cross-sectional length have a symmetrical contour shape of a flat figure of this cross-section relative to axes of symmetry, for example, a circle or square, an angle sensor formed by electrically conductive and dielectric fluids and sections of a tubular annular channel made of electrically conductive material, the tread surface of which is uniformly coated with a non-wettable dielectric, an electronic converter, electrically connected separately with each of the electrically conductive sections of the tubular annular channel and electrically conductive liquid, a throttle and a scale, characterized in that in the angle sensor formed by the sections of the tubular annular channel, these sections from the side of the axis around which the annular channel is formed, symmetrically with respect to the plane lying on the circular axis of the annular channel, through the slit in the electrically conductive material and in the non-wettable dielectric, covering the limits of movement of the interface between the conductive and dielectric liquids, each of the slots in the dielectric of one section of the tubular annular channel is hermetically connected with the gap in the dielectric of the other section of the tubular annular channel mainly using flat membranes from non-wettable dielectric placed parallel and symmetrically with respect to a plane lying on the circular axis of the annular channel.