УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПОДВОДНОГО ТРАНСПОРТНОГО ПЛАВСРЕДСТВА Российский патент 1997 года по МПК G06G7/57 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной техники, в частности к устройствам для моделирования электрического поля подводных транспортных плавсредств, и может быть использовано в учебном процессе при построении в плоскости дна моря изолиний производных напряженности электрического поля подводного транспортного плавсредства.

Известны способы и устройства для моделирования электрического поля в морских условиях и на моделях транспортных плавсредств ( Деменицкая Р. М. Городницкий А. М. Измерение электрических полей в океане. Л. Недра, 1979; Струнский М. Г. О некоторых особенностях электролитического моделирования. Электрические поля в электролитах. Новосибирск, 1967, с. 48 59; Иоссель Ю.Я. и др. Вопросы расчета и моделирования электрохимической антикоррозионной защиты судов. Л. Судостроение, 1965, с. 215 217, рис. 86). Для осуществления замеров электрического поля в море привлекаются суда, буксирующие систему электродов, а в электролитическом бассейне геометрическая подобная модель гребного винта и корпуса.

Эти способы и устройства требуют больших капитальных трудозатрат и специального оборудования и поэтому в учебном процессе не пригодны.

Известны устройства для моделирования электрических полей (Вопросы электрического моделирования полей, вып. 1. Саратов: изд-во СГУ, 1965, с. 3 - 26). Эти устройства для своего осуществления не требуют такого, например, капитального оборудования, как электролитический бассейн. Однако и эти устройства по своей конструкции довольно сложные. Для учебного процесса они мало пригодны.

Известно также устройство для моделирования поля транспортного плавсредства, содержащее модель плавсредства, выполненную в виде обмотки, нанесенной на тело вращения из диэлектрического материала, индукционные измерительный и задающий датчики, блок питания и нуль-индикатор (Устройство для моделирования гидродинамического поля транспортного плавсредства, патент СССР (19) SU (11) 1785576 А3, кл. G 06 G 7/57, 1994). Устройство по патенту N 1785576 (1990 г.) можно использовать для моделирования электрического поля подводного транспортного плавсредства (Суда и судоходство будущего. Л. Судостроение, 1981, с. 93 99).

Наиболее близким к изобретению является патент N 1785576 А3.

Прототип обладает следующими основными недостатками:
строевая по шпангоутам тела вращения не подобна строевой по шпангоутам подводного транспортного плавсредства;
измерение поля одним датчиком не обеспечивает точности моделирования при измерениях производных напряженности поля по координатным осям;
отсутствует наглядность при построении изолиний.

Цель изобретения повышение точности моделирования и эффекта наглядности при построении в плоскости дна моря изолиний подводного транспортного плавсредства.

Для достижения цели в устройстве для изучения электрического поля подводного транспортного плавсредства, содержащим рабочий стол с рамой и приспособлением для крепления модели подводного транспортного плавсредства, выполненную в виде обмотки, нанесенной на тело вращения из диэлектрического материала и соединенной последовательно с блоком питания, индукционные измерительный и задающий датчик, включенные в цепь измерительного блока встречно-последовательно через нуль-индикатор, координатный узел, расположенный на рабочем столе, при этом рабочий стол, рама и приспособление для крепления модели подводного транспортного плавсредства выполнены с возможностью изменения расстояния друг относительно друга, индукционный измерительный датчик выполнен в виде сдвоенных катушек, обмотки которых включены встречно и ориентированы соответственно производным от вертикальной составляющей напряженности электрического поля по соответствующим осям координат, а тело вращения из диэлектрического материала выполнено в виде кругового цилиндра, длину и диаметр которого определяют из соотношения

где
l и d длина и диаметр модели подводного транспортного плавсредства;
L и D длина и средний диаметр подводного транспортного плавсредства;
m линейный масштаб.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом показывает, что в него дополнительно включены индукционный измерительный датчик в виде сдвоенных катушек, обмотки которых включены встречно и ориентированы соответственно производным от вертикальной составляющей напряженности электрического поля по соответствующим осям координат, тело вращения из диэлектрического материала выполненного в виде кругового цилиндра.

Сопоставительный анализ прелагаемого с прототипом показывает, что предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сопоставление предлагаемого изобретения с другими техническими решениями показывает, что рабочие столы с рамами, модели подводных транспортных средств, выполненных в виде обмотки, нанесенной на тело вращения из диэлектрического материала, различные индукционные и измерительные датчики, координатные узлы, тела вращения из диэлектрического материала, выполненного в виде кругового цилиндра, известны.

Однако дополнительно включенные индукционный измерительный датчик в виде сдвоенных катушек, обмотки которых включены встречно и ориентированы соответственно производным от вертикальной составляющей напряженности электрического поля по соответствующим координатам, тело вращения из диэлектрического материала, выполненного в виде кругового цилиндра в связи с остальными элементами и устройствами позволяет достичь повышения точности моделирования и эффекта наглядности при построении в плоскости дна моря изолиний электрического поля подводного транспортного плавсредства и может быть использовано при моделировании и исследовании электрического поля.

Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена принципиальная блок-схема устройства; на фиг. 2 рабочий стол с приспособлениями для крепления модели подводного транспортного плавсредства, вид сбоку; на фиг. 3 рабочий стол с координатным узлом, вид сверху; на фиг. 4 муфта для крепления приспособления к рабочему столу; на фиг. 5 гальваническая пара "гребной винт-корпус"; на фиг. 6 модель подводного транспортного плавсредства; на фиг. 7 индукционный измерительный датчик в виде сдвоенных катушек.

Устройство содержит модель подводного транспортного плавсредства, выполненную в виде обмотки 1, нанесенной на тело вращения 2 из диэлектрического материала, например из дерева; блок питания-генератор звуковой частоты 3 и усилитель 4; нуль-индикатор-осциллограф 5 и измерительный 6 и задающий 7 индукционные датчики, соединенные друг с другом электрически встречно-последовательно; эталон-обмотку 8, нанесенную на цилиндрическую подложку 9 из дерева и усилитель 4 с осциллографом 5 (фиг. 1).

Обмотка 1 включена в цепь звукового генератора 3 через усилитель 4 и эталонную обмотку 8, включающую в себя набор последовательно соединенных круговых проводников, плоскости которых параллельны и имеют общую ось симметрии. Измерительный датчик 6 установлен на каретке 10, расположенной на линейке 11 координатного узла, размещенного на нижнем основании 12 рабочего стола 13 (фиг. 2 и 3). Линейка 1 при помощи нитей 14, закрепленных на основании 12 имеет возможность перемещаться параллельно самой себе. Каретка 10, выполненная по типу визира логарифмической линейки, имеет подпружиненный карандаш 15 и может перемещаться по линейке 11.

Тело вращения 2 с обмоткой 1 установлено на держателях 16, присоединенных к муфтам 17, которые могут перемещаться по направляющей 18. Последняя с трубчатыми стойками 19 образует раму, которая установлена на основании 12 рабочего стола 13. Стойка 19 и держатель 16 имеют отверстия для установки штифтов 20.

Муфты 17 состоят из двух полумуфт 21 и 22, соединенных при помощи винтов 23 (фиг. 4). Для фиксации своего положения на направляющей 18, муфты 17 снабжены винтами 24.

Действие устройства происходит следующим образом. Перед работой с устройством выбирают линейный масштаб m l/L (где l и L длина модели и подводного транспортного плавсредства), изготовляют тело вращения 2 из дерева в виде круглого цилиндра, диаметр которого d D/m, где D средний диаметр подводного транспортного плавсредства.

Выбор кругового цилиндра в качестве тела вращения 2 сделан из следующих соображений. Основное значение в образовании электрического поля (ЭП) подводного транспортного плавсредства (ПТП) имеет гальваническая пара, образованная его корпусом и гребным винтом (Мельников Ю. А. Навагин Ю. С. Физические поля корабля и мирового океана (краткие тексты лекций часть 2. Магнитное и электрическое поле. ВМУРЭ им. А. С. Попова, Петродворец, 1974, с. 36 50; журнал "Техника и вооружение", 1969, N 10, с. 36 37, 4-я с. обложки; Аграновский К. Ю. Радиокибернетические методы управления морскими объектами. Л. Судостроение, 1967, с. 108 112, 141 148). Благодаря этому сложную систему гальванических пар подводного транспортного плавсредства заменяют двухэлектродной системой, состоящей из двух сферических электродов радиусом равным среднему радиусу подводного транспортного плавсредства, разнесенных на расстоянии (фиг. 5). Электроды соединены проводником (линия вала соединяет винт с корпусом), по которому течет ток J. Электрическое поле во внешнем пространстве образуется такими расстояниями (картина поля изображена на 4 с. обложки журнала "Техника и вооружение", 1969, N 10). На глубине моря Z в точке A вертикальную составляющую напряженности электрического поля от системы электродов определяют из соотношения

где Q_э интенсивность сферических электродов;
Z глубина моря в точке измерения;
r₁, r₂ расстояния от полюсов сферических электродов до точки измерения;
E_1Z проекция напряженности электрического поля E₁ на вертикальную ось Z, создаваемая "плюсовым" сферическим электродом в точке измерения A;
E_2Z проекция напряженности электрического поля E₂ на вертикальную ось Z, создаваемая "минусовым" сферическим электродом в точке измерения A.

Точно такое же выражение имеет место для вертикальной составляющей напряженности магнитного поля обмотки 1, нанесенной на круговой цилиндр длиной L (Яновский Б. М. Земной магнетизм. т. 2, Л. изд-во ЛГУ, 1963, с. 124, 129, 226 232)

где Q_м интенсивность магнитных масс на концах кругового цилиндра (фиг. 6).

Из формулы (1) и (2) следует, что:
аналогом E_Z является H_Z, а значит и их производные по соответствующим координатным осям;
аналогом Q_э является Q_м однородное магнитное поле, образованное обмоткой 1 внутри кругового цилиндра 2;
формулы имеют одинаковую структуру.

Выражения для определения вертикальной составляющей напряженности электрического поля (1) и магнитного (2) аналогичны, поэтому Q_э - интенсивность сферических электродов в формуле (1) аналогична Q_м - интенсивности магнитных масс в формуле (2).

Из сказанного следует, что изучение электрического поля подводного транспортного плавсредства можно проводить на модели подводного транспортного плавсредства, выполненной в виде обмотки 1, нанесенной на круговой цилиндр 2 с длиной l L/m и диаметром d D/m.

Смонтировав все узлы устройства, на обмотку 1 и эталонную обмотку 8 от звукового генератора 3 через усилитель 4 подают переменное напряжение. При прохождении переменного электрического тока на обмотке 1, вокруг нее создается переменное магнитное поле, имитирующее в соответствии с установленной аналогией электрическое поле подводного транспортного плавсредства. Для изучения и демонстрации электрического поля представляют интерес производные напряженности
Для определения величины E_ZZ и E_ZX индукционный измерительный датчик 6 выполняют в виде сдвоенных катушек, имеющих одинаковые электрические параметры (число витков, размеры и т.п.). Обмотки катушек включают встречно, а сами катушки размещают на расстоянии ΔZ или ΔX (фиг. 7), ориентируя их продольные оси по оси Z. Тогда в переменном магнитном поле обмотки 1 в них наводится суммарная ЭДС пропорциональная значениям При измерениях индукционные задающий датчик 7 устанавливают на оси эталонной обмотки 8, ось которой заранее проторирована в значениях E_ZZ и E_ZX. Для этого, перемещая датчик 6 при помощи каретки 10 находят точки, в которых наблюдается по осциллографу 5 компенсация суммарной ЭДС. Эти точки отмечают карандашом 15 на миллиметровой бумаге, размещенной на основании 12 рабочего стола 13. Соединив полученные точки плавной кривой находят изолинии E_ZZ или E_ZX со значением, равным значению, соответствующему положению датчика 7 на оси эталонной обмотки 8. Путем изменения положения датчика 7 на оси эталонной обмотки 8. Путем изменения положения датчика 7 на оси обработки 8 задают новое значение переменного магнитного поля для другой изолинии электрического поля и т.д.

Питание обмоток 1 и 8 током 800 Гц, а не 50 Гц, позволяет уменьшить время измерения сигналов индукционными датчиками с 20 мс до 1,25 мс, что уменьшает погрешность измерений и тем самым снижает требования к элементам (комплектующим узлам) измерительных приборов, т.е. в конечном счете упрощает схему измерений.

Эталонная обмотка 8 предназначена для проведения тарировки ее оси в значениях производных вертикальной составляющей напряженности электрического поля по координатам Z и X. Обмотка 8 является вспомогательным устройством, необходимым для обеспечения тарировки предлагаемого технического решения.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность моделирования за счет:
выбора модели подводного транспортного плавсредства в виде круговой цилиндрической обмотки;
выполнения измерительного индукционного датчика в виде сдвоенных катушек и соответствующего их размещения
Кроме того, устройство позволяет наглядно демонстрировать построение изолиний производных напряженности электрического поля подводного транспортного плавсредства, а также оперативно изменять глубину моря и значение новой изолинии электрического поля.

Следует рекомендовать высшим военно-морским учебным заведениям приобрести лицензию у ВМорА на устройство для моделирования электрического поля подводного транспортного плавсредства.

Использование: аналоговая вычислительная техника, в частности устройства для моделирования электрического поля подводных транспортных плавсредств. Сущность изобретения: устройство содержит модель плавсредства, выполненную в виде обмотки 1, нанесенной на тело вращения 2, блок питания 3, усилитель 4, осциллограф 5, измерительный 6 и задающий 7 индукционные датчики, соединенные друг с другом, эталонную обмотку 8. Обмотка 1 включена в цепь звукового генератора 3 через усилитель 4 и эталонную обмотку 8, включающую набор последовательно соединенных круговых проводников, плоскости которых параллельны и имеют общую ось симметрии. Измерительный датчик 6 выполнен в виде сдвоенных катушек, обмотки которых включены встречно, установлен на каретке, расположенной на линейке координатного узла, размещенного на нижнем основании рабочего стола. Тело 2 вращения из диэлектрического материала выполнено в виде кругового цилиндра, длина и диаметр которого пропорциональны подводному транспортному плавсредству. 7 ил.

Устройство для моделирования электрического поля подводного транспортного плавсредства, содержащее рабочий стол с рамой и приспособлением для крепления модели подводного транспортного плавсредства, выполненного в виде обмотки, нанесенной на тело вращения из диэлектрического материала и соединенной последовательно с блоком питания, индукционные измерительный и задающий датчики, включенные в цепь измерительного блока встречно-последовательно через нуль-индикатор, координатный узел, расположенный на рабочем столе, при этом рабочий стол, рама и приспособление для крепления модели подводного транспортного плавсредства выполнены с возможностью изменения расстояния друг относительно друга, отличающееся тем, что в нем индукционный измерительный датчик выполнен в виде сдвоенных катушек, обмотки которых включены встречно и их оси ориентированы вдоль оси Z соответственно производным от вертикальной составляющей напряженности электрического поля по соответствующим осям координат и тело вращения из диэлектрического материала выполнено в виде кругового цилиндра, длина и диаметр которого выбран из соотношения l L/m, d D/m, где l и d длина и диаметр модели подводного транспортного плавсредства, L и D длина и средний диаметр подводного транспортного плавсредства, m линейный масштаб.