ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРОСИГНАЛЫ Советский патент 2006 года по МПК G01B7/00 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения динамических механических величин, и может быть использован для приема и преобразования различного рода вибраций и механических перемещений подвижных механических систем и конструкций в системах тревожной сигнализации, где к преобразователям не предъявляются жесткие требования по линейности, но требуется значительная протяженность и работа в условиях воздействия жестких климатических и механических факторов.

Известен трибоэлектрический преобразователь динамических механических величин в виде коаксиального кабеля РКШ ТУ 16-509-892-76, выпускаемого Московским кабельным заводом "Электропровод". Указанный кабель, содержащий внутренний проводник, свободно расположенный в изоляции из сплошного полиэтилена, выполненной в виде многоугольной звездочки с отверстием круглого сечения внутри, диаметр которого примерно в два раза больше диаметра внутреннего проводника, эластичный экран из медных проволок и защитную оболочку из полиэтилена, имеет относительно низкую чувствительность к механическим перемещениям и деформациям, а также низкую стабильность по длине и во времени. Все это объясняется тем, что внутренний проводник имеет ограниченный диаметр, что уменьшает поверхность контактирования его с изоляцией, а также жесткую конструкцию. Последнее отрицательным образом отражается на первоначальной свободе внутреннего проводника, ее сильной зависимости от термоусадочных явлений изоляции (процесс усадки после изготовления и в процессе эксплуатации) и, следовательно, на неравномерности чувствительности по длине. Кроме того, при использовании известного кабеля в грунте для приема сейсмических колебаний, последний из-за эластичности внешнего проводника претерпевает радиальное сжатие грунтом, например при его промерзании, и резкое снижение из-за этого чувствительности. По этим причинам известный кабель имеет относительно низкую чувствительность в воде при наличии больших гидростатических давлений. Все это ограничивает возможности широкого применения известного кабеля в качестве преобразователя динамических механических величин.

Известен трибоэлектрический преобразователь динамических механических величин, состоящий из внутреннего проводника, размещенного внутри концентричной системы элементов, состоящей из изоляции, выполненной сплошной из пористого полиэтилена, внешнего проводника, выполненного в виде эластичной оплетки, и, защитной полиэтиленовой трубки, при этом внутренний диаметр изоляции равен диаметру внутреннего проводника (см. авт.св. СССР №1373078 от 8 октября 1987 г., кл. G 01 В 7/16).

Известный преобразователь, являющийся ближайшим по технической сущности техническим решением, обладает несколько лучшими техническими характеристиками по линейности преобразования в широком частотном диапазоне из-за конструктивных особенностей, в частности применения упруго сжимаемой изоляции.

Однако известная конструкция преобразователя в целом обладает недостаточной чувствительностью и стабильностью, в частности при использовании его в жестких условиях эксплуатации (промерзание грунта и гидростатическое давление воды), когда наблюдается сдавливание оболочки преобразователя и резкое снижение чувствительности, а также стабильности по длине.

Целью предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что в коаксиальном трибоэлектрическом преобразователе динамических механических величин, содержащем внутренний проводник, размещенный внутри концентричной системы элементов, состоящей из сплошной изоляции из пористого полиэтилена, внешнего проводника и защитной полиэтиленовой трубки, при этом внутренний проводник расположен в изоляции без зазора, изоляция выполнена полупроводящей добавлением в композицию пористого полиэтилена перед переработкой композиции проводящего полиэтилена в соотношении 1:3-1:5, на поверхность сердечника намотана по спирали с положительным перекрытием изоляция из лент высокополимерного материала, например политетрафторэтилена, внешний проводник выполнен в виде стальной цилиндрической спирали, при этом внешний диаметр полупроводящего сердечника по ленточной изоляции составляет 0,5-0,7 от внутреннего диаметра спирали.

В качестве пенообразующей полиэтиленовой композиции может быть использована композиция марки 102-107-ОВАС ТУ 6-05-221-309-74, а в качестве композиции проводящего полиэтилена может быть использован проводящий полиэтилен марки 107-42 ТУ 6-05-17-79-82, выполненный на основе полиэтилена высокого давления марки 107102-20, 17802-015 и др. и рецептурной добавки, содержащей полиизобутилен П-118, ацетиленовую сажу и стабилизатор.

Заявляемый преобразователь отличается от известного наличием новых конструктивных элементов и их выполнением, т.е. он соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями позволило выявить в них признаки: конструкция в виде коаксиального протяженного преобразователя трибоэлектрического типа. Однако в предлагаемом решении элементы конструкции выполнены по иному, т.е. нестандартно, в частности предложена полупроводящая изоляция, способная упруго сжиматься под действием механических колебаний, на поверхность которой намотана ленточная изоляция. Можно сказать, что увеличенная, таким образом, поверхность внутреннего проводника, введение ленточной изоляции и внешнего проводника в виде цилиндрической спирали с оптимальным углом подъема витков, при котором обеспечивается устойчивая работа спирали в условиях радиальных сдавливающих воздействий, а также свободное расположение изоляционного сердечника внутри указанной спирали в совокупности обеспечивают необходимые показатели качества. Все это отличает заявляемое решение от аналогов и прототипа, обеспечивает ему соответствие критерию "существенные отличия".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана конструкция предлагаемого преобразователя, а на фиг.2 - поперечный его разрез.

Коаксиальный трибоэлектрический преобразователь динамических механических величин содержит внутренний проводник 1, выполненный эластичным, например из гофрированной медной проволоки или пряди тонких медных проводников, изоляцию из пористого полупроводящего полиэтилена (изоляцию из ППП) 2, ленточную изоляцию 3, цилиндрическую спираль 4, защитную полиэтиленовую оболочку 5 и согласующий усилитель 6.

Цилиндрическая спираль 4 выполнена из стальной проволоки с оптимальным углом подъема витков спирали (практически равным 30-40°), при котором обеспечивается одновременно работа витков одновременно в осевом и радиальном направлении. Можно рекомендовать спираль с шагом витков, равным диаметру стальной проволоки.

Указанная конструкция цилиндрической спирали 4 обеспечивает одновременно хорошие экранирующие и механические свойства. Первое свойство обеспечивается изготовлением цилиндрической спирали 4 виток к витку и применением стальной проволоки, обеспечивающей хорошие защитные свойства от электромагнитных наводок.

Второе - за счет того, что витки не имеют возможности смещаться в направлении оси преобразователя и не терять устойчивость в радиальном направлении. При растяжении, изгибе и сдавливании кабельного преобразователя, действующая на него механическая нагрузка воспринимается цилиндрической спиралью 4 через оболочку 5 и не передается на изоляцию из ППП 2, на поверхность которого намотана ленточная изоляция 3. Этим достигается сохранение стабильности положения внутренних элементов преобразователя независимо от внешних факторов, воздействующих на него в процессе эксплуатации, сохранение их свободы перемещения (подвижности).

Изготовление изоляции из ППП 2 осуществляется следующим образом. Сначала в холодном состоянии смешивают гранулы композиции проводящего и пористого полиэтиленов, обеспечивая их равномерное распределение (перемешивание). Затем смесь из двух композиций засыпают в бункер экструдера и, обеспечив необходимые температурные режимы (140-160°), необходимый формующий инструмент, изготовляют сердечник изоляции из ППП 2 с внутренним проводником 1 в центре. Практически можно получить сердечник изоляции из ППП 2, имеющий омическое сопротивление (между поверхностью изоляции из ППП 2 и внутренним проводником 1) не более 1·10⁴ Ом и необходимые эластичные свойства (свойства упруго сжиматься). Оба указанных свойства способствуют повышению чувствительности преобразователя. Закрытые поры структуры изоляции из ППП 2 повышают устойчивость преобразователя к внешним климатическим воздействиям. Экспериментально выявлено, что смешение композиций в соотношение 1:3-1:5 дает наилучшие результаты с точки зрения повышения чувствительности в широком диапазоне механических воздействий и изменения температуры окружающего воздуха. При соотношении композиций менее чем 1:3 проводимость изоляции из ППП 2 резко уменьшается (становится больше 1·10⁶ Ом), и наоборот, при соотношении композиций более чем 1:5 проводимость становится высокой, но эластичность изоляции из ППП 2 резко уменьшается. Соответственно, в обоих случаях ухудшаются преобразовательные свойства кабеля. Рекомендованное соотношение композиций обеспечивает преобразователю хорошие свойства чувствовать изгибы, растяжение, скручивание и вибрации.

Работа преобразователя основана на трибоэлектрическом эффекте. При вибрациях, деформациях и растяжении преобразователя, возникают относительные перемещения между поверхностью изоляции из ППП 2 и ленточной изоляцией 3, а также между внутренней поверхностью цилиндрической спирали 4 и поверхностью изоляции из ППП 2, которые вследствие контактного трения (отрыв, соприкосновение и скольжение) приводят к появлению трибоэлектрических зарядов на поверхности изоляции из ППП 2 и цилиндрической спирали 4. Указанные заряды стекают, стремясь к рекомбинации, на вход согласующего усилителя 6, например заряда или тока, образуя разность потенциалов. Вследствие легкости и упругости сердечника из ППП 2, возможности ее упруго изменять свой объем под действием механических напряжений, т.е. сжиматься и возвращаться в исходное состояние, в ряде мест по длине преобразователя возникают относительные перемещения между его элементами. Во всех случаях происходит кратковременное отделение металлических или полупроводящей поверхности изоляции из ППП 2 от ленточной изоляции (вследствие различной степени жесткости и упругости) или относительного трения указанных поверхностей при изгибах, растяжении и вибрации преобразователя. Как указывалось ранее, указанные явления приводят к образованию трибоэлектрических зарядов, адекватных по уровню и частоте механическим воздействиям на защитную полиэтиленовую оболочку 5. При этом заряды, образованные на поверхности изоляции из ППП 2,через относительно небольшое сопротивление стекают на внутренний проводник 1 и далее на вход согласующего усилителя 6. Использование ленточной изоляции 3 из высокополимерного материала, например фторопласта (политетрафтрэтилена) или лавсана (полиэтилентерефталата) обеспечивают оптимальные условия для образования зарядов, при условии свободного наложения (намотки) указанной изоляции на изоляцию из ППП 2 с перекрытием в один и более слоев. Использование эластичного внутреннего проводника 1 обеспечивает подвижность сердечника в целом вдоль оси преобразователя при растяжении и термоусадочных явлениях. Благодаря этому, указанный сердечник будет всегда находиться в цилиндрической спирали 4 в свободном состоянии. Вместе с тем, большую роль играет соотношение диаметров полупроводящего сердечника и цилиндрической спирали. Экспериментально выявлено, что если внешний диаметр указанного сердечника составляет 0,5-0,7 от внутреннего диаметра спирали 4, то в процессе работы преобразователя, а также при релаксационных процессах, возникающих в структуре полимерных материалов, в частности сердечника из ППП 2, последний будет иметь возможность свободного перемещения вдоль оси преобразователя внутри цилиндрической спирали 4, укорачивая свою длину и оставаясь всегда свободным и располагаясь в нижней части (на основании) цилиндрической спирали 4. Соотношение геометрических размеров сердечника из ППП 2 и цилиндрической спирали 4 выбрано таким, чтобы поверхность ленточной изоляции 3 всегда имела свободный контакт с витками спирали 4 при вибрациях преобразователя независимо от радиуса изгиба последнего. Практически выявлено, что меньшем соотношении указанных размеров ухудшаются условия обеспечения подвижности сердечнику из ППП 2 вдоль оси преобразователя, а при меньшем - уменьшается поверхность контактирования и, следовательно, коэффициент преобразования трибоэлектрического преобразователя.

Чем интенсивнее будут относительные перемещения подвижных конструктивных элементов преобразователя, чем больше упругость, легкость и поверхность контакта сердечника из ППП 2, выполняющего роль инерционного элемента, чем больше упругая сжимаемость пористой изоляции из ППП 2, чем больше подвижность указанного сердечника внутри цилиндрической спирали 4, тем лучше условия для образования трибоэлектрических зарядов. В предлагаемой конструкции указанные условия оптимальным образом сочетаются. При расположении такого преобразователя в грунте или воде, радиальные нагрузки будут действовать только на цилиндрическую спираль 4, а сердечник будет оставаться свободным.

Дополнительно можно отметить, что такая конструкция требует значительно меньше меди. Она способна зарегистрировать механические воздействия в диапазоне частот от долей Гц до нескольких кГц. Чувствительность его более чем в десять раз больше чувствительности прототипа.

Таким образом, конструктивные особенности преобразователя выгодно отличают его от известных, так как он, обладая простотой, высокой износостойкостью и технологичностью конструкции, может иметь большие возможности по применению. Этим и будет достигнут техникоэкономический эффект от применения предлагаемого преобразователя, прежде всего, в устройствах специального назначения, в частности, тревожной сигнализации на вибро-сейсмическом принципе.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения динамических механических величин и может быть использовано для приема и преобразования различного рода вибраций и механических перемещений подвижных механических систем и конструкций в системах тревожной сигнализации. Сущность: преобразователь содержит внешний и внутренний коаксиальные проводники, между которыми коаксиально расположены слои полимеров. При этом внешний проводник выполнен в виде стальной спирали. Кроме того, ближайший к внутреннему проводнику слой выполнен из композиции пористого и проводящего полиэтиленов с соотношением от 1:3÷1:5. Другой слой выполнен из ленточного высокополимерного материала, внешний диаметр которого составляет 0,5÷0,7 от внутреннего диаметра стальной спирали. Технический результат: повышение чувствительности. 2 ил.

Трибоэлектрический преобразователь неэлектрических величин в электросигналы, содержащий коаксиальные внешний и внутренний проводники и коаксиально расположенные между ними слои полимеров, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, внешний проводник выполнен в виде стальной спирали, ближайший к внутреннему проводнику слой выполнен из композиции пористого и проводящего полиэтиленов с соотношением 1:3÷1:5, а другой слой выполнен из ленточного высокополимерного материала, внешний диаметр которого составляет 0,5÷0,7 от внутреннего диаметра стальной спирали.