RU2651607C1 - Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений - Google Patents
Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2651607C1 RU2651607C1 RU2017101417A RU2017101417A RU2651607C1 RU 2651607 C1 RU2651607 C1 RU 2651607C1 RU 2017101417 A RU2017101417 A RU 2017101417A RU 2017101417 A RU2017101417 A RU 2017101417A RU 2651607 C1 RU2651607 C1 RU 2651607C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- angular
- currents
- cell
- feedback signal
- Prior art date
Links
- 238000005442 molecular electronic Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- -1 tri-iodide ions Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, используемым при создании датчиков линейных и угловых движений. Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений состоит из двух плоских электродов, размещенных друг напротив друга на стенках рабочего канала датчика, помещенная в магнитное поле, перпендикулярное оси канала и линии, соединяющей указанные электроды, в месте расположения которых выполнено локальное сужение рабочего канала в направлении действия магнитного поля, при этом подаваемые на электроды токи формируются двумя источниками токов, управляемых напряжением, причем упомянутые токи равны по величине, но направлены в противоположные стороны относительно источников тока. Технический результат – расширение динамического диапазона функционирования датчика угловых движений. 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам, используемым при создании датчиков линейных и угловых движений.
Оно представляет собой электрохимическую магнитогидродинамическую ячейку. Указанная ячейка используется для формирования обратной связи в датчиках линейных и угловых движений. Предлагаемое отличие от аналогов позволяет увеличить диапазон входных сигналов, в котором функционирует обратная связь и, в конечном итоге, расширить динамический диапазон функционирования датчика угловых движений.
Изобретение может найти применение в навигационных устройствах, в частности для навигации и управления спутников.
Молекулярно-электронные ячейки, являющиеся преобразователями линейных и угловых акселерометров, используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток электролита в электрический сигнал. Молекулярно-электронные преобразователи включают четыре электрода, помещенные в замкнутый контур, заполненный электролитом, при этом внутренние электроды служат катодами, а периферийные - анодами.
При подключении электродов молекулярно-электронного преобразователя к внешней электронике, аноды находятся при потенциале на 250-300 мВ более высоком, чем катоды. В этом случае концентрация активного компонента (ионов три-йодида) в покоящейся жидкости на анодах равна объемному значению, а на катодах - близка к нулю.
Катодные токи в этом случае определяются скоростью подвода реагирующего активного компонента к электродам. В неподвижной жидкости перенос активных носителей осуществляется согласно диффузионному механизму, и катодный ток определяется выражением:
Здесь D - коэффициент диффузии, S - площадь соответствующего катода, 
- градиент концентрации активного компонента на поверхности соответствующего катода. При движении жидкости дополнительно к диффузионному механизму действует конвективный перенос, приводящий к увеличению тока на одном катоде и уменьшению - на другом. При включении двух пар электродов по дифференциальной схеме фоновые катодные токи взаимно компенсируются, а сигнальный ток, вызванный возникающим под действием внешнего ускорения движением жидкости, удваивается.
Помимо соответствующих коэффициентов преобразования линейного или углового ускорения в электрический ток и их частотной зависимости, величины собственного шума, также ключевыми параметрами линейных и угловых акселерометров являются динамический диапазон, линейность отклика, температурная зависимость.
Использование обратной связи в молекулярно-электронных преобразователях позволяет оптимизировать параметры с точки зрения достижения максимальной чувствительности и минимального уровня собственных шумов, при этом совершенно не обязательно иметь плоскую амплитудно-частотную характеристику до включения датчика в контур обратной связи.
Математическая модель частотной характеристики прибора может быть описана следующим выражением:
где Ws - передаточная функция чувствительного элемента, Wff, Wfb - передаточная функция прямой и обратной цепей электроники соответственно, Wf - передаточная функция фильтра.
Известны несколько способов формирования обратной связи в молекулярно-электронных преобразователях движения.
Один из способов формирования обратной связи описан в (Вяселев М.Р.; Ермолин В.И.; Мифтахов А.Г.; Урманчеев Л.М.; Нургалиев М.И. RU 2152044 С17 G01P 15/08, G01P 3/42). Здесь обратная связь формируется магнитогидродинамическим преобразователем, состоящим из двух электродов, входной ток на которые поступает через преобразователь напряжение-ток.
Известны также электромеханические способы формирования отрицательной обратной связи в электрохимических преобразователях (В.М. Агафонов, И.В. Егоров, А.С. Шабалина. Принципы работы и технические характеристики малогабаритного молекулярно-электронного сейсмодатчика с отрицательной обратной связью//Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, №1, с. 5-18) с помощью магнита и катушки. Здесь сигнал на выходе чувствительного элемента преобразуется в электронике прямой и обратной цепей и подается в виде электрического тока в катушку обратной связи. В свою очередь, электрический ток в катушке, взаимодействуя с магнитом, помещенным в катушке и закрепленным на мембране, закрывающей канал преобразователя, создает противосилу, компенсирующую силы инерции, развиваемые под действием внешнего механического сигнала.
МГД ячейки также используются для детектирования движения электропроводящей жидкости в диэлектрическом канале, как, например, (Sedley J. Greer, Jr., US 5003517A), включающие в себя как МГД ячейку, так и пьезоэлектрические датчики.
Одним из главных отличий предлагаемой магнитогидродинамической ячейки является отсутствие гальванической развязки, которая, например, реализована в (Вяселев М.Р.; Ермолин В.И.; Мифтахов А.Г.; Урманчеев Л.М.; Нургалиев М.И. RU 2152044 С17 G01P 15/08, G01P 3/42) в виде наличия в схеме оптрона.
Недостатком же в случае электромеханического способа формирования обратной связи является невозможность детектирования постояннодействующего ускорения и создания постоянной противосилы в схеме обратной связи.
В качестве прототипа выбран конвективный акселерометр с «положительной» или «отрицательной» инерциальной массой (Vladimir A. Kozlov, Vadim М. Agafonov; US 7578188 В2), который состоит из замкнутого канала, заполненного электролитом, и помещенного в него преобразующую электродную ячейку. Отличием от предлагаемого изобретения является отсутствие магнитогидродинамической ячейки для формирования сигнала обратной связи и калибровки электрохимических датчиков угловых и линейных движений.
Принцип работы электрохимических преобразователей состоит в том, что под действием разности потенциалов в преобразующем 4-хэлектродном узле (преобразующая ячейка), помещенном в канал с электролитом (водный раствор высококонцентрированного электролита KI с добавлением I2), на катодах (внутренние электроды в ячейке) идет процесс восстановления йода 
, а на анодах (внешние электроды) процесс окисления йода 
. Таким образом, устанавливается разность концентраций активного компонента внутри узла и вне его. Токи, протекающие через электроды, пропорциональны градиенту концентрации активных ионов вблизи поверхности электродов. При движении преобразователя, жидкость в канале начинает перемещаться относительно электродов, тем самым начинают варьироваться и концентрации активных ионов вблизи электродов, а следовательно, и токи. Выходным сигналом приборов на основе молекулярно-электронного переноса является разностный катодный ток. Это позволяет убрать постоянное смещение и обеспечить линейность отклика в широком диапазоне сигналов.
Как говорилось выше, в предположении большой глубины обратной связи (Ws⋅Wff⋅Wfb>>1) выражение для частотной характеристики прибора принимает вид:
Данная модель дает выражение для передаточной функции независящей от передаточной функции сенсора и электроники прямой цепи. В зависимости от способа формирования сигнала обратной связи (вида передаточной функции Wfb) можно получить выход, пропорциональный скорости, либо ускорению.
Предлагаемое изобретение позволяет формировать отрицательную обратною связь в линейных и вращательных электрохимических акселерометрах в частотном диапазоне от 0 Гц, используя магнитогидродинамический эффект. Осуществление производится следующим образом: плоские МГД электроды, образующие МГД ячейку, помещаются на противоположные стенки рабочего канала. Постоянное магнитное поле формируется постоянными магнитами и направлено перпендикулярно рабочему каналу и вектору тока между МГД электродами.
Таким образом, при протекании переменного тока между МГД электродами и воздействии постоянного магнитного поля, перпендикулярного вектору электрического поля и направления канала, жидкость будет двигаться вдоль канала.
Формирование же обратной связи заключается в следующем: выходной сигнал Uвых с преобразующей ячейки подается на источники токов, которые составлены таким образом, чтобы один из них заводил ток в МГД ячейку через один из электродов, а второй - выводил такой же по значению ток из МГД ячейки через второй электрод. На фиг. 1 представлена электрическая схема источников токов управляемых напряжением Uвых с преобразующей ячейки. При R>>r, формируемый ток равен Iвх(вых)=Uвх/r. Такая схема формирования тока позволяет компенсировать утечки тока из МГД ячейки в преобразующую и не требует гальванической развязки. Суть же обратной связи заключается в том, что поток, формирующийся в МГД ячейке, компенсирует поток электролита через преобразующую ячейку, возникающий при воздействии механического сигнала.
На фиг. 2 представлен общий вид электрохимического акселерометра, состоящего из замкнутого рабочего канала 1, помещенной в него преобразующей электродной ячейки 2, сужения 3 рабочего канала 1 в месте расположения плоских МГД электродов 4, расположенных друг напротив друга и постоянных магнитов 5.
Важной принципиальной особенностью предлагаемого изобретения является локальное сужение рабочего канала в направлении действия магнитного поля в месте расположения МГД электродов, что дает увеличение скорости протекания рабочей жидкости в МГД ячейке относительно ее скорости вне МГД ячейки, согласно законам гидродинамики, а также увеличения силы магнитного поля. Поскольку сила, действующая на движущийся заряд магнитном поле, прямо пропорциональна скорости движения заряда и величине магнитного поля, то выше указанная особенность конфигурации МГД ячейки, позволяет увеличить глубину обратной связи.
Claims (1)
- Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений, состоящая из двух плоских электродов, размещенных друг напротив друга на стенках рабочего канала датчика, помещенная в магнитное поле, перпендикулярное оси канала и линии, соединяющей указанные электроды, в месте расположения которых выполнено локальное сужение рабочего канала в направлении действия магнитного поля, отличающаяся тем, что подаваемые на электроды токи формируются двумя источниками токов, управляемых напряжением, причем упомянутые токи равны по величине, но направлены в противоположные стороны относительно источников тока.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017101417A RU2651607C1 (ru) | 2017-01-17 | 2017-01-17 | Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017101417A RU2651607C1 (ru) | 2017-01-17 | 2017-01-17 | Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2651607C1 true RU2651607C1 (ru) | 2018-04-23 |
Family
ID=62045319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017101417A RU2651607C1 (ru) | 2017-01-17 | 2017-01-17 | Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2651607C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110045300A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-23 | 东南大学 | 基于磁感应蛋白探测磁场的传感器 |
| RU2698527C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-08-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU678425A1 (ru) * | 1975-10-21 | 1979-08-05 | Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина | Устройство дл измерени ускорени |
| US4764908A (en) * | 1982-11-29 | 1988-08-16 | Greer Jr Sedley J | Magnetohydrodynamic fluid transducer |
| EA011204B1 (ru) * | 2004-05-21 | 2009-02-27 | МЕТ ТЕЧ ЭлЭлСи | Конвективный акселерометр |
| US7578188B2 (en) * | 2007-03-11 | 2009-08-25 | Olga Kozlova, legal representative | Convective accelerometer with “positive” or “negative” inertial mass |
-
2017
- 2017-01-17 RU RU2017101417A patent/RU2651607C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU678425A1 (ru) * | 1975-10-21 | 1979-08-05 | Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина | Устройство дл измерени ускорени |
| US4764908A (en) * | 1982-11-29 | 1988-08-16 | Greer Jr Sedley J | Magnetohydrodynamic fluid transducer |
| EA011204B1 (ru) * | 2004-05-21 | 2009-02-27 | МЕТ ТЕЧ ЭлЭлСи | Конвективный акселерометр |
| US7578188B2 (en) * | 2007-03-11 | 2009-08-25 | Olga Kozlova, legal representative | Convective accelerometer with “positive” or “negative” inertial mass |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698527C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-08-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта |
| CN110045300A (zh) * | 2019-04-08 | 2019-07-23 | 东南大学 | 基于磁感应蛋白探测磁场的传感器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Agafonov et al. | Electrochemical seismometers of linear and angular motion | |
| Egorov et al. | Design and self-noise of MET closed-loop seismic accelerometers | |
| US9329039B2 (en) | Non-magnetic azimuth sensing with MET electrochemical sensors | |
| RU2651607C1 (ru) | Магнитогидродинамическая ячейка для формирования сигнала обратной связи и калибровки молекулярно-электронных датчиков угловых и линейных движений | |
| US10712457B2 (en) | Microfabrication technology for producing sensing cells for molecular electronic transducer based seismometer | |
| Agafonov et al. | Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback | |
| Zaitsev et al. | Frequency response and self-noise of the MET hydrophone | |
| RU2650839C1 (ru) | Низкочастотный векторный акустический приемник | |
| Liang et al. | Molecular electronic transducer based planetary seismometer with new fabrication process | |
| Chikishev et al. | The temperature dependence of amplitude-frequency response of the MET sensor of linear motion in a broad frequency range | |
| US5176030A (en) | Low frequency angular velocity sensor | |
| RU2698527C1 (ru) | Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта | |
| CN112666367B (zh) | 一种基于磁流体反馈的mems电化学角加速度传感器及方法 | |
| Kozlov et al. | Small, low-power, low-cost IMU for personal navigation and stabilization systems | |
| US3354725A (en) | Accelerometer | |
| JP4002904B2 (ja) | チルト・センサの信号サンプリング回路 | |
| RU2696060C1 (ru) | Глубоководный гидрофон | |
| Egorov et al. | Strong motion molecular-electronic accelerometer | |
| Cheung et al. | A liquid medium coriolis gyroscope based on electrochemical molecular electronic transducer for low angular rate sensing | |
| SE442150B (sv) | Elektronisk krets for metning av skillnaden i kapacitans mellan tva kondensatorer | |
| Chistyakov | Portable seismic sensor | |
| RU2627139C1 (ru) | Схема подключения молекулярно-электронного преобразователя к электронной плате | |
| Xu et al. | The electrochemical seismometer based on a novel designed sensing electrode for undersea exploration | |
| CN113777348B (zh) | 一种动电极式电化学惯性传感器 | |
| Sun et al. | High-sensitivity electrochemical seismometers relying on parylene-based microelectrodes |