Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью на основе магнитогидродинамического эффекта Российский патент 2019 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к измерителям акустического давления на основе молекулярно-электронным преобразователей диффузионного типа. Предлагаемый гидрофон позволяет существенно уменьшить зависимость коэффициента преобразования и амплитудно-частотной характеристики от внешнего статического давления, а, следовательно, обеспечить стабильность выходных характеристик при изменении рабочей глубины.

Молекулярно-электронные преобразователи линейных и угловых акселерометров используют раствор электролита в качестве инерционной массы и преобразуют поток раствора в электрический сигнал.

В качестве рабочей жидкости чаще всего используется водный раствор йод-йодидного электролита, состоящего из высококонцентрированного водного раствора соли йодида (обычно используется йодид лития или йодид калия) с небольшой добавкой молекулярного йода. Концентрация йодида превышает концентрацию йода в 100 и более раз. Соль в растворе практически полностью диссоциирована, а йод находится в форме ионов три-йодида.

В рабочем режиме между электродами молекулярно-электронного преобразующего элемента приложена разность потенциалов и протекает электрический ток, аноды находятся при потенциале на 250-300 мВ более высоком, чем катоды.

Под действием указанной разности потенциалов на электродах происходят следующая электрохимическая реакция:

При этом на положительных электродах (анодах) происходит реакция образования активных ионов три-йодида, а на отрицательных (катодах) протекает обратная реакция. При достаточно большой разности потенциалов (режим насыщения) величина катодных токов определяется скоростью доставки к ним ионов трийодида (активных ионов), возникающих на анодах. В неподвижном электролите доставка активных ионов производится через механизм диффузии. Если жидкость приходит в движение, то помимо диффузии перенос активных ионов осуществляется посредством конвекции. Ток катода возрастает, если жидкость течет по направлению от смежного анода и убывает при противоположном движении жидкости. Описанный преобразующий элемент, преимущественно, используется в акселерометрах и сейсмометрах (Патент US6576103B2, Патент US12421954, Патент CN106526659B, Патент CN103235337B, I.V Egorov, A. S. Shabalina, and V. М. Agafonov, "Design and Self-Noise of MET Closed-Loop Seismic Accelerometers," IEEE Sens. J., vol. 17, no. 7, pp. 2008-2014, 2017., V. M. Agafonov, I. V. Egorov, and A.S. Shabalina, "Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback," Seism. Instruments, vol. 50, no. 1, pp. 1-8, 2014).

Известны технические решение, предлагающие использование аналогичного чувствительного элемента в акустических преобразователях - гидрофонах и микрофонах. (Патент US3359465A, Патент US3374403A, English, G. Е. (1975). Response characteristics of polarized cathode solion linear acoustic transducers. The Journal of the Acoustical Society of America, 58(1), 266, Larkam, C. W. (1965). Theoretical Analysis of the Solion Polarized Cathode Acoustic Linear Transducer. The Journal of the Acoustical Society of America, 37(4)). Недостатком данных технических решений является ограниченные динамический и частотный диапазоны, нестабильность характеристики с изменением температуры.

Известен способ расширения динамического и частотного диапазона датчиков, состоящий в использовании отрицательной электродинамической обратной связи (Патент GB201003621D0, Патент CN106526659B, Патент CN2784946Y, I.V Egorov, A.S. Shabalina, and V.М. Agafonov, "Design and Self-Noise of MET Closed-Loop Seismic Accelerometers," IEEE Sens. J., vol. 17, no. 7, pp. 2008-2014, 2017., V.M. Agafonov, I.V. Egorov, and a. S. Shabalina, "Operating principles and technical characteristics of a small-sized molecular-electronic seismic sensor with negative feedback," Seism. Instruments, vol. 50, no. 1, pp. 1-8, 2014). (Патент РФ2651607, E. Egorov, V. Agafonov, S. Avdyukhina, and S. Borisov, "Angular molecular-electronic sensor with negative magnetohydrodynamic feedback," Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 1, 2018.). Суть способа состоит в том, что выходной сигнал преобразующего элемента используется для управления работой электродинамического устройства, создающего силу, компенсирующую действие сил инерции.

Коэффициент преобразования такого устройства описывается формулой

Здесь K_sens - коэффициент преобразования датчика, K_ff - электроники прямой цепи, Kfb - коэффициент преобразования устройства, формирующего обратную связь.

При условии большой глубины обратной связи, выражаемым математически в виде неравенства K_sens⋅K_ff⋅K_fb>>1, выражение (1) приобретает вид: K≈1/K_fb и выходной сигнал перестает зависеть от характеристики преобразующего элемента, определяясь только характеристиками устройства обратной связи. В большинстве случаев для формирования обратной связи используются взаимодействующие между собой магнит и катушка с током, сила взаимодействия между которыми пропорциональна току, протекающему в катушке, а коэффициент пропорциональности зависит от материала и геометрии магнита, геометрии катушки, а также взаимного расположения катушки и магнита. При использовании современных высокостабильных магнитов, например, на основе сплавов SmCo и ALNiCo, свойства магнита мало зависят от температуры и стабильны во времени. Как следствие, удается стабилизировать выходные параметры охваченных обратной связью сейсмометров и акселерометров. Одновременно, расширяются динамический и частотный диапазоны.

В работах (Zaitsev, D.L., Avdyukhina, S.Y., Ryzhkov, М.А., Egorov, E.V., Agafonov, V.M. Frequency response and self-noise of the MET hydrophone. 2018. Journal of Sensors and Sensor Systems, 7(2), c. 443-452; D. Zaitsev, V. Agafonov, E. Egorov and S. Avdyukhina Broadband MET Hydrophone. 80th EAGE Conference and Exhibition 2018. Session: Seismic Acquisition.11 June 2018) аналогичный подход был использован при создании молекулярно-электронного гидрофона согласно в конструкции приведенной на Фиг. 1. Указанное техническое решение будем рассматривать как прототип предлагаемого изобретения. Полученное устройство обеспечивает плоскую амплитудно-частотную характеристику в диапазоне 1-300 Гц, низкие шумы и стабильную работу при погружении на глубину до 3-4 метров. При увеличении глубины погружения чувствительность такого гидрофона начинает изменяться. Физически, это обусловлено изменением взаимного расположения магнита и катушки с током в устройстве, формирующим сигнал обратной связи, что математически выражается в изменении K_fb в выражении (1).

Известен также способ создания обратной связи для молекулярно-электронных датчиков, состоящий в использовании магнитогидродинамической ячейки (Патент РФ2651607, Патент РФ 2152044 С1, Е. Egorov, V. Agafonov, S. Avdyukhina, and S. Borisov, "Angular molecular-electronic sensor with negative magnetohydrodynamic feedback," Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 1, 2018.). Одним из недостатков этого подхода является возможная утечка тока между электродами магнитогидродинамической и преобразующей ячеек. Проблему утечки в патенте РФ 2152044 С1 предлагается решить путем применения гальванической развязки на основе оптрона. Недостатком является сокращение динамического диапазона. В патенте РФ 2651607 и публикации (Е. Egorov, V. Agafonov, S. Avdyukhina, and S. Borisov, "Angular molecular-electronic sensor with negative magnetohydrodynamic feedback," Sensors (Switzerland), vol. 18, no. 1, 2018) для решения проблемы предлагается использовать специальную электрическую схему, содержащую два одинаковых источника тока, обеспечивающих равенство токов втекающих в один из электродов магнитогидродинамической ячейки и вытекающего из другого электрода. Данное решение увеличивает энергопотребление устройства и усложняет электронику, используемую для обработки сигнала.

Задачей предлагаемого технического решения является снижение зависимости выходных параметров молекулярно-электронного гидрофона с обратной связью от внешнего гидростатического давления. Техническим результатом заявленного технического решения является возможность использования гидрофона в широком диапазоне глубин погружения.

Технический результат заявленного технического решения достигается за счет того, что гидрофон изготавливается состоящим из двух камер, разделенных гибкой мембраной, и ограниченных жесткими стенками. В одной камере располагается молекулярно-электронный преобразующий элемент, а в другой - магнитогидродинамическая ячейка, обеспечивающая формирование сигнала обратной связи. Магнитогидродинамическая ячейка образована двумя электродами, погруженными в рабочий раствор, через которые пропускается электрический ток и постоянным магнитом, формирующим магнитное поле в зазоре между электродами. Электроды и магнит жестко закреплены на корпусе устройства и не изменяют своего взаимного расположения при изменении гидростатического давления. Разделяющая мембрана устраняет перетекание тока между магнитогидродинамической и преобразующей ячейками. Широкий динамический диапазон работы элемента, формирующего обратную связь, обеспечивается за счет использования электролита с повышенной концентрацией активного компонента в камере, содержащей магнитогидродинамическую ячейку.

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - схематическое изображение устройства прототипа предлагаемого технического решения;

Фиг. 2 - схематическое изображение предлагаемого технического решения.

Конструктивно преобразующий молекулярно-электронный гидрофон состоит из заполненной рабочей жидкостью камеры, разделенной на две части перегородкой, содержащей каналы. В каналах располагается чувствительный элемент, представляющий систему электродов, образующих пары анод-катод, причем к анодам подан положительный по отношению к катодам потенциал. Камера содержит мембраны, расположенные по двум сторонам от указанной перегородки. Одна из мембран находится в контакте с внешней средой, в которой проводится измерение акустического сигнала, другая мембрана контактирует с объемом, изолированным от внешней среды. Под действием вариаций внешнего акустического давления жидкость перетекает через преобразующий элемент. В свою очередь поток жидкости изменяет величину электродных токов. Вариации электродных токов представляют собой выходной сигнал преобразующего элемента.

Для стабилизации параметров описанного гидрофона используется обратная связь, устройство, для реализации которой подробно представлено в следующем разделе и является предметом изобретения.

Реализацию изобретения иллюстрируют рисунки Фиг. 1 и Фиг 2.

Сначала предположим, что гидростатическое давление является неизменным. Тогда принцип работы прототипа, схематически показанного на Фиг. 1, равно как и предлагаемого технического решения, показанного на Фиг. 2, состоит в следующем. Вариации внешнего давления Р, вызванные акустическим сигналом, приводят к перетеканию рабочей жидкости 2 через преобразующий элемент 3. Выходной ток преобразующего элемента передается посредством электрических контактов 4 на электронную плату 5, выполняющую функции преобразования выходного тока в напряжение и частотной коррекции. Преобразованный с помощью электрической платы сигнал подается на исполнительный элемент обратной связи. В прототипе изобретения исполнительным элементом является катушка 6 и постоянный магнит 7. В предлагаемом техническом решении - это пара электродов 8, размещенных в магнитном поле 9. Как в прототипе, так и в предлагаемом решении, результатом работы механизма обратной связи является сила, действующая на мембрану 10 и создающая за указанной мембраной дополнительное давление, препятствующее перетеканию рабочей жидкости через преобразующий элемент. При условии большой глубины обратной связи указанное дополнительное давлении приблизительно равно изменению внешнего давления. Величина тока, необходимая для компенсации вариаций внешнего давления, является выходным сигналом устройства.

Предположим, что изменилась глубина погружения гидрофона, следовательно, внешнее гидростатическое давление, действующее на мембрану 1. В прототипе изобретения в этом случае происходит деформация мембраны 1, а в силу малой сжимаемости рабочей жидкости - и мембраны 10. Соответственно, происходит смещение катушки 6 относительно магнита 7 в механизме, обеспечивающим формирование сигнала обратной связи. Следствием такого смещения будет то, что при одном и том же акустическом сигнале компенсация вариаций внешнего давления давлением, создаваемым механизмом обратной связи будет происходить при другом токе, протекающем через механизм обратной связи. Изменяется коэффициент преобразования измерительного устройства. Указанный эффект ограничивает рабочий диапазон глубин функционирования измерительного устройства, являющимся прототипом предлагаемого решения.

Для предлагаемого в изобретении технического решения деформация мембраны 10 под действием гидростатического давления не приводит к смещению электродов 8 относительно магнитного поля 9. Соответственно, не будет изменяться величина тока, необходимого для компенсации заданного давления в акустическом поле, независимо от рабочей глубины гидрофона. Коэффициент преобразования остается стабильным.

Кроме того, для увеличения максимального тока, проходящего через электроды 8, необходимо увеличивать площадь их поверхности, а также концентрацию активных ионов в рабочей жидкости в камере, содержащей электроды обратной связи. Именно, концентрация активных ионов с и площадь S электродов 8 должны удовлетворять уравнению:

где I_max - ток между электродами 8, необходимый для компенсации вариаций внешнего акустического давления максимально возможных для рабочего диапазона гидрофона, c,D -концентрация и коэффициент диффузии активных ионов, q - электрический заряд, переносимый через поверхность электродов при единичной реакции, - диффузионная длина, f наименьшая частота рабочего диапазона гидрофона.

Кроме того, для улучшения температурной стабильности работы механизма обратной связи в выходном каскаде электронной платы 5 может быть установлен генератор тока, обеспечивающий независимость тока от сопротивления электролита, а, следовательно, от температуры.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам преобразования механического движения в электрический сигнал. Молекулярно-электронный гидрофон с обратной связью состоит из двух камер, заполненных проводящей жидкостью и разделенных мембраной. В одной из камер находится молекулярно-электронный преобразующий элемент, а одна из мембран, ограничивающих эту камеру, контактирует с внешней средой. Во второй камере находится двухэлектродная электрохимическая ячейка и сформировано постоянное магнитное поле, перпендикулярное линиям тока, протекающего между электродами указанной ячейки. При этом гидрофон выполнен таким образом, что чувствительность гидрофона с обратной связью не зависит от гидростатического давления, а значит от рабочей глубины гидрофона. Технический результат – расширение диапазона глубин погружения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Молекулярно-электронный гидрофон, состоящий из двух камер, отличающийся тем, что камеры представляют собой объемы, ограниченные жесткими стенками и деформируемыми мембранами, заполненные проводящей жидкостью, при этом одна из мембран разделяет указанные камеры, одна из камер содержит молекулярно-электронный преобразующий элемент и контактирует одной из своих мембран с внешней средой, а другая камера содержит двухэлектродную магнитогидродинамическую ячейку, в пространстве между электродами которой сформировано магнитное поле, и мембрану, контактирующую с объемом, отделенным от внешней среды.

2. Молекулярно-электронный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что электроды и магнит магнитогидродинамической ячейки выполнены с возможностью сохранения своего взаимного расположения при изменении внешнего гидростатического давления.

3. Молекулярно-электронный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что выходной ток молекулярно-электронного преобразующего элемента корректируется электронной схемой, входным сигналом которой является выходной ток преобразующего элемента, а выходным сигналом - ток, протекающий через электроды двухэлектродной магнитогидродинамической ячейки.

4. Молекулярно-электронный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что концентрация активных ионов в камере, содержащей двухэлектродную магнитогидродинамическую ячейку, и площадь S электродов этой ячейки удовлетворяют условию

,

где I_max - ток между электродами, необходимый для компенсации вариаций внешнего акустического давления максимально возможных для рабочего диапазона гидрофона, c, D - концентрация и коэффициент диффузии активных ионов, q - электрический заряд, переносимый через поверхность электродов при единичной реакции, - диффузионная длина,

f - наименьшая частота рабочего диапазона гидрофона.

5. Молекулярно-электронный гидрофон по п. 3, отличающийся тем, что выходной каскад электронной схемы представляет собой генератор тока.