ДАТЧИК ДОННЫХ ФОРМ Российский патент 1997 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к средствам исследования физических аспектов движения твердых частиц в придонном слое жидкости, в частности, к средствам измерения скорости образования и перемещения донных аккумулятивных форм и может быть использовано при изучении динамики морских насосов на шельфе при инженерных изысканиях под строительство гидротехнических сооружений.

Известны механические датчики (динамометры, измерители сопротивления деформации грунта), которые используют для исследования донных форм (патент Великобритании N 1007263, кл. G 01 V 9/00), в котором описан датчик, содержащий цилиндрическое тело с коническим отверстием, в котором размещен конический подвижный элемент, к торцу которого прикладывается измеряемое усилие.

Однако подобные датчики не обладают необходимой чувствительностью.

Известен зондирующий индуктивный датчик, содержащий цилиндрический корпус с подвижным основанием, на котором закреплен ферромагнитный элемент, а также возбуждающую и две приемных катушки (заявка ФРГ N 3621037, кл. G 01 V 9\ 00, 1986). Донные аккумулятивные формы воздействуют на подвижное основание датчика, что приводит к изменению ЭДС приемных катушек.

Недостатком этого датчика является узкий рабочий диапазон и низкая помехоустойчивость из-за влияния окружающих ферромагнитных масс. В то же время при изучении донных форм задача обеспечения требуемой чувствительности в широком диапазоне давлений является чрезвычайно важной, поскольку размеры наносных форм изменяются в широких пределах.

Широкое распространение получили также зондовые датчики межслоевого давления, которые могут быть использованы для исследования донных форм. Эти датчики содержат штатив с зондом, выполненным с приемным каналом, в котором установлен фильтр, измерителем давления (как правило, это мембрана, соединенная со струнным датчиком перемещения) и индикатор ( заявки Франции NN 2312785 и 2477284, кл. G 01 V 9/00, 1976 и 1981 соответственно).

Однако и эти датчики пригодны для измерения лишь в достаточно узком диапазоне давлений. Кроме того, их точность невысока из-за влияния колебаний уровня воды.

Наиболее близким к предложенному является датчик, содержащий корпус, в полости которого размещены кинематически соединенные манометрический узел и динамометр, а также компенсационный силовой элемент, воздействующий на манометр (заявка Франции N 2242693, кл. G 01 V 9/00, 1974).

Наличие компенсатора позволяет исключить одну из составляющих погрешности датчика, однако ему в полной мере присущи вышеперечисленные недостатки: невозможность отстроиться от влияния колебаний уровня воды, в том числе, вследствие волнового процесса, а главное, невозможность настроить датчик на диапазон усилий, соответствующих предполагаемому уровню наносов, затрудняют, а в ряде случаев и делают невозможным, его использование для исследования аккумулятивных форм.

Таким образом, техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является расширение диапазона измеряемых датчиком давлений при одновременном повышении точности измерения.

Указанный результат достигается тем, что известный датчик, содержащий корпус, в полости которого размещены кинематически соединенные манометрический узел и динамометр, а также компенсатор, снабжен узлом регулировки усилия, установленным между динамометром и манометрическим узлом, выполненным в виде упругой мембраны с толкателем, расположенной на одном из оснований корпуса, а компенсатор выполнен в виде эластичной водонепроницаемой мембраны, размещенной на втором основании корпуса.

При этом динамометр может быть выполнен в виде упругой диэлектрической пластины, на которой закреплены тензорезисторы, включенные в мостовую схему, а корпус выполнен с кронштейном, на котором установлена упругая диэлектрическая пластина.

Кроме того, узел регулировки усилия может быть выполнен в виде Т-образного штока, концы перекладины которого закреплены в каретке, при этом кронштейн корпуса выполнен с направляющей, в которой, с возможностью фиксируемого перемещения, размещена каретка, а упругая диэлектрическая пластина динамометра жестко соединена со свободной частью перекладины Т-образного штока.

Целесообразно также узел регулировки усилия выполнить в виде рычага, расположенного на оси, размещенной на конце Г-образного кронштейна, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения.

Рекомендуется также выполнить корпус с резьбовыми торцевыми крышками, одна из которых, расположенная со стороны упругой мембраны, выполнена с входным отверстием, а другая, расположенная со стороны эластичной водонепроницаемой мембраны, выполнена с системой отверстий или каналов для сообщения с окружающей средой.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты выполнения датчика в разрезе. Датчик (фиг. 1 и 2) содержит цилиндрический корпус 1 с прижимными резьбовыми крышками 2 и 3. В крышке 2 выполнено входное отверстие 4 (фиг. 1), а в крышке 3
система отверстий 5 или компенсационный канал 6 с фильтром 7 (фиг. 2). Крышка 2 фиксирует в корпусе 1 упругую мембрану 8, снабженную толкателем 9, которые образуют манометрический узел. Герметичная рабочая камера 10, образованная мембраной 8 и эластичной водонепроницаемой мембраной 11, может быть заполнена глицерином.

Толкатель 9 (фиг. 1) взаимодействует с Т-образным штоком 12, концы упругой перекладины 13 которого закреплены в каретке 14, установленной в направляющей кронштейна 15 с возможностью перемещения в направлении, указанном стрелками. К перекладине 13 жестко крепится упругая диэлектрическая пластина 16, выполненная, например, из сапфира, с наклеенными тензорезисторами 17, которые проводниками 18, образующими кабель 19, соединены с измерительным блоком (не показан). Кабель 19 установлен во втулке 20.

Толкатель 9 (фиг. 2) контактирует с рычагом 21, выполненном с прорезью 22, в которой расположена ось 23, установленная на конце Г-образного кронштейна 24, выполненного с возможностью перемещения вдоль направляющей кронштейна 25. Второй конец рычага 21 упирается в пластину 16, установленную в опорах (каретке) 26 (в этом варианте возможно также выполнить с направляющей только кронштейн 15 или оба кронштейна 15 и 25). Крышка 3 и диафрагма 11 образуют компенсационный отсек 27 корпуса 1 (фиг. 1).

Датчик используют следующим образом.

Один датчик или группу датчиков заглубляют в песчаный грунт морского дна на глубину 20-40 см на выбранном участке морского шельфа. Поверхность грунта над датчиком выравниванием, давление толщи наносов, регистрируемое в момент установки, принимается за исходное.

Перемещение донных аккумулятивных форм (рифелей, гряд, дюн) через выбранную точку дна связано с периодическими изменениями массы наносов в этой точке. При прохождении гребня формы давление на мембрану 8 увеличивается, изменяя распределение напряжений в пластине 16 и вызывая разбаланс мостовой схемы, образованной тензорезисторами 17. При прохождении ложбины происходят те же явления, но меняется знак разбаланса.

Диапазон измерения регулируется путем перемещения каретки 14 или кронштейна 24. При этом медленные или периодические изменения уровня воды не отражаются на показаниях датчика, поскольку полностью компенсируются изменением давления в отсеке 27 корпуса 1.

В результате датчик обеспечивает проведение высокоточных измерений в широком диапазоне давлений, что позволяет получить количественную информацию о движении различных донных аккумулятивных форм с последующим расчетом скорости их движения в любых гидродинамических условиях. Немаловажной особенностью датчика является и развязка манометрического узла (в частности, тензорезисторов 17) с мембраной 8, облегчающая параметрическую компенсацию температурой погрешности датчика при любом выполнении манометрического узла и динамометра.

Использование: при исследовании динамики донных аккумулятивных форм, процессов образования и перемещения морских насосов на шельфе. Сущность изобретения: в цилиндрическом корпусе размещены манометрический узел в виде упругой мембраны с толкателем, узел регулировки усилия и динамометр в виде тензометрического моста, установленный на каретке. При перемещении последней регулируется чувствительность датчика. Датчик снабжен компенсатором в виде водонепроницаемой мембраны и второго отсека, сообщающегося с окружающей средой.

1. Датчик донных форм, содержащий корпус, в полости которого размещены кинематически соединенные манометрический узел и динамометр, а также компенсатор, отличающийся тем, что он снабжен узлом регулировки усилия, установленным между динамометром и манометрическим узлом, выполненным в виде упругой мембраны с толкателем, расположенной на одном из оснований корпуса, а компенсатор выполнен в виде эластичной водонепроницаемой мембраны, размещенной на втором основании корпуса. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что динамометр выполнен в виде упругой диэлектрической пластины, на которой закреплены тензорезисторы, включенные в мостовую схему, а корпус выполнен с кронштейном, на котором установлена упругая диэлектрическая пластина. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что узел регулировки усилия выполнен в виде Т-образного штока, концы перекладины которого закреплены в каретке, при этом кронштейн корпуса выполнен с направляющей, в которой, с возможностью фиксируемого перемещения, размещена каретка, а упругая диэлектрическая пластина динамометра жестко соединена со свободной частью перекладины Т-образного штока. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что узел регулировки усилия выполнен в виде рычага, расположенного на оси, размещенной на конце Г-образного кронштейна, установленного в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения. 5. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен с резьбовыми торцевыми крышками, одна из которых, расположенная со стороны упругой мембраны, выполнена с входным отверстием, а другая, расположенная со стороны эластичной водонепроницаемой мембраны, выполнена с системой отверстий или каналом для сообщения с окружающей средой.