| NUEVO CABLE CONVERTIDOR PARA HERRAMIENTA DE DETECCIÓN SISMOMAGNETOMÉTRICA.
ZVEZHINSKY Stanislav Sigismundovich, candidato de ciencias técnicas
NUEVO CONVERTIDOR DE CABLE PARA HERRAMIENTA DE DETECCIÓN SISMOMAGNETOMÉTRICA Como se sabe, ¿un dispositivo de detección sismomagnetométrico (SD) que combine dos principios de detección física pasiva? sísmico y magnetométrico, es el más eficaz para proteger las fronteras, límites extendidos no vallados de objetos [1]. En comparación con el magnetométrico, resuelve el problema de un intruso «magnéticamente puro», en comparación con el sísmico, tiene una inmunidad al ruido significativamente mayor y es menos susceptible a las condiciones climáticas y geológicas. En comparación con la detección activa basada en el efecto de la línea de onda con fugas, tiene un consumo de energía y un costo varias veces menores. Sismomagnetométrico CO “MILES”, desarrollado por primera vez en EE.UU. a mediados de los años 70. [2], se está modernizando y utilizando para proteger instalaciones militares y especialmente importantes en el extranjero. En la Empresa Unitaria Estatal Dedal” (Dubna) a finales de los años 90. Se desarrolló un SO sismomagnetométrico combinado “Grezy-12-2” [3]. Sin embargo, presenta desventajas debidas, entre otras cosas, a las características técnicas no del todo satisfactorias del cable especializado KTPEDEP, destinado a formar el elemento sensible al CO. Por lo tanto, es relevante el desarrollo de un convertidor de cable combinado (CT) mejorado de señales sísmicas y magnetométricas. Dicho convertidor, manteniendo los parámetros de costos, debería tener:
El desarrollo de un convertidor presenta importantes dificultades técnicas, la principal de las cuales es garantizar una sensibilidad sísmica aceptable y reproducible basada en el efecto tribo. Numerosos trabajos en esta área no han logrado desarrollar una teoría científica o incluso fenomenológica para la construcción (optimización) de un triboconvertidor distribuido. En fuentes de información conocidas, incl. patentes [4, 5], existen numerosas contradicciones sobre este tema. Por lo tanto, al crear un cable de este tipo, en gran medida hay que hacerlo «al tacto», realizando iteraciones de prueba para producir numerosos prototipos. Los transductores de cable triboeléctricos se utilizan en el aire, fijados a la barrera, registrando sus vibraciones bajo la influencia de un intruso (en vibración CO), así como en el suelo, donde registran las vibraciones sísmicas provocadas por el paso del intruso o el paso de vehículos. Un tribocable situado en el suelo experimenta deformaciones útiles que son 2…3 órdenes de magnitud menores que las de la barrera, por lo que las señales útiles son extremadamente pequeñas; en condiciones naturales desfavorables (por ejemplo, suelo helado) su valor (en términos de la carga de entrada) es ~ 0, 1 pC o menos. Además, como muestran los experimentos, la formación de señales en el suelo difiere significativamente de la de la barrera, por lo que probar las opciones de control sísmico «en el aire» no es del todo adecuado. En un convertidor de cable, las superficies de contacto y fricción (durante la deformación) son una pantalla de metal y un aislante de polímero que separa la pantalla del conductor interno (central), que se encuentran en un estado de equilibrio termodinámico. El tipo de contacto se puede definir más adecuadamente como deslizante, multipunto, reversible. El desarrollo de un triboconvertidor eficaz tropieza con una serie de contradicciones técnicas, entre ellas el coeficiente de fricción y la libertad de movimiento de las superficies de contacto del aislante metálico, el espesor de la funda y el diámetro exterior del cable, la presencia de una pantalla adicional, etc. Un hecho bien conocido y poco controvertido es que el efecto tribo, es decir. La aparición de electrones libres en un metal o polímero dieléctrico durante su fricción (deslizamiento, contacto) se debe principalmente a la electrificación de contacto [6 — 8]. Se cree que los electrones inyectados en el polímero son capturados por estados locales profundos (trampas) que se encuentran cerca del nivel de Fermi del metal (~4 eV) [9]. Estas trampas son causadas por defectos en la estructura del polímero, como impurezas, y la oxidación de la superficie del polímero aumenta significativamente la tribocarga. Cuanto mayor sea la diferencia de función de trabajo o diferencia de potencial de contacto (CPD) de los materiales, la señal útil — carga Q es proporcionalmente mayor [8]. También existe una correlación directa entre el valor de Q y la densidad de trampas superficiales del dieléctrico y el área de contacto S [6 — 8]. Otras dependencias observadas se deben a muchos factores interrelacionados (incluidos los relacionados con la estructura química y atómica del polímero, por ejemplo, las propiedades aceptor-donante) y se encuentran en el campo de los modelos teóricos. Al aumentar la temperatura, la PCR aumenta, pero prácticamente no se encontró dependencia de las triboseñales de la temperatura. La conductividad específica de la superficie no juega ningún papel en la triboelectrificación, pero acelera la disipación (degradación) de la carga transferida. El CRP depende del estado (contaminación) de la superficie: en el metal, estos son óxidos, sulfatos, en el aislante, varias películas de aceite, suciedad, polvo; Cuanto mayor es la contaminación de la superficie, menor es la tribocarga. La presencia de agua y humedad reducen drásticamente la señal, incluso debido a su derivación” (para agua r ~105…106 Ohm•m). En un convertidor donde las superficies de contacto son una pantalla metálica (aluminio, estaño, cobre) y un polímero (polietileno, fluoroplástico, cloruro de polivinilo, lavsan), un aumento de S provoca un aumento de su diámetro. Las propiedades micromecánicas de las superficies de contacto (por ejemplo, la fuerza de presión) afectan la carga transferida; se requiere una cierta presión mínima [9], que puede no estar disponible en un cable real. Crear un tribocable es “un caso inverso con respecto a la tarea más común de crear un cable de comunicación con un mínimo ruido tribo [10]. Es interesante observar que en ambos casos [4, 10], a veces se utiliza el llamado polietileno semiconductor (SPE) (r ~1015 Ohm•m) con la adición de chips de grafito, por lo que adquiere propiedades eléctricas anómalas. (r ~105… 107 Ohmios·m). El mecanismo de reducción del ruido tribo (por ejemplo, mediante la aplicación de chips de grafito) consiste en implementar una pantalla electrostática semiconductora que “elimina” las cargas libres. El mecanismo para aumentar el tribonoise usando PES no está del todo claro. Sin embargo, el uso de PES está limitado por un aumento significativo en la capacitancia lineal del cable Sp, lo que afecta negativamente al ruido intrínseco del amplificador de señal de CO. De hecho, la capacitancia lineal clásica (por 1 m) de un cable coaxial es [11]: Sp » 24•e/log (D/d), pF/m, donde e es la constante dieléctrica relativa (para PE ~ 2,3), D es el diámetro de la pantalla, d es el diámetro del conductor interno. La presencia de PPE entre las placas del cable conduce a un aumento efectivo de d y, por tanto, de la capacitancia lineal. La «serie triboeléctrica» es conocida y ampliamente utilizada en tecnología [12]: una lista secuencial de materiales que se electrifican entre sí durante la fricción, y cuanto más lejos están los materiales en contacto en esta serie, mayor es la tribocarga. En la Fig. 1, esta serie se presenta en aplicación a componentes utilizados en la industria del cable, las flechas indican la dirección de aumento en la función de trabajo o la capacidad de adquirir electrones libres, cargando negativamente. El efecto tribo mínimo es característico de un par de materiales uno al lado del otro en la serie triboeléctrica (por ejemplo, aluminio — papel).
Como puede verse en la Fig. 1, el fluoroplástico tiene las mejores propiedades triboeléctricas en relación con los metales, pero es relativamente caro y rígido. El polietileno (PE) es barato y se utiliza ampliamente, pero, por ejemplo, la mezcla incontrolada de diferentes grados (por ejemplo, tipos 153-01K y 107-02K) minimiza la carga generada cuando entra en contacto con el cobre. La ventaja del cobre o el aluminio para la fabricación de triboscreen” se aborda de forma contradictoria en la literatura debido a su diferente microestructura (malla o lámina), la influencia de la oxidación; en general, si hay una diferencia, es insignificante [12]. Durante la producción, el papel de aluminio se oxida casi inmediatamente, mientras que su función de trabajo aumenta (de 4,3 eV a 5,4 eV) y, en el caso general, también aumenta la PCR. El cobre recocido utilizado para fabricar pantallas no cambia sus propiedades físicas durante 5…10 años si el cable no está dañado. Los estudios de la magnitud del efecto tribo en cables de cobre según la fecha de producción (por ejemplo, PVChS, RK, KMM) no revelaron ninguna correlación estable [7]. La película Mylar, que se utiliza en el cable TPPep, tiene buenas propiedades triboeléctricas. En comparación con el PE, lavsan tiene una densidad de trampas de superficie un orden de magnitud mayor (~ 1015 eV-1m-2). El nailon con una función de trabajo baja (4,1 eV) y el mylar también son materiales prometedores para la CP. La densidad máxima de la carga superficial formada en la superficie de las superficies en contacto está limitada por un valor suficiente para la ruptura eléctrica de la corona: Epr » 30 kV/cm. En este caso, la densidad de carga superficial se limita al valor spr = e0Epr = 2,7•10-9 C/m2. El PE de alta presión termoestabilizado utilizado para la carcasa es relativamente duro e inflexible, especialmente a temperaturas bajo cero, parece prometedor el uso de elastómero termoplástico (TPE), al que se pueden añadir reactivos que repelen a los roedores. Sin embargo, si la funda del cable se daña y “aspira humedad, la pantalla (cobre, aluminio) se oxida y el efecto tribo disminuye de 3 a 5 veces. Los estudios del efecto tribo en pantallas de cobre han revelado una dependencia proporcional de su magnitud de la saturación de la capa hasta un cierto valor, después del cual se produce la saturación y el efecto prácticamente no aumenta. Aparentemente, existe un óptimo asociado no sólo con el área de contacto, sino también con garantizar una fricción mínima y un contacto intermitente. La estratificación longitudinal de la pantalla (en un ángulo de ~450 con respecto al eje del cable) en comparación con la superposición con la misma saturación aumenta el efecto tribo entre 1,5 y 1,7 veces; sin embargo, la capacitancia lineal del cable también aumenta, pero de manera menos notoria ( por ~ 1,2 veces).El desarrollo de un triboconvertidor de cable eficaz es esencialmente heurístico y se basa en resolver los problemas particulares tecnológicos y compositivos alternativos descritos anteriormente, implementar combinaciones en forma de prototipos, verificar sus características, analizar deficiencias y desarrollar formas de mejora. Por ejemplo, como muestra la práctica, una combinación exitosa de superficies de contacto es aluminio — Lavsan (cable TPPep), cobre — PE de baja presión (cable PVChS), cobre — Kapton con película Mylar [13]. Para determinar la función de transferencia WKP de un convertidor de cable, igual a la relación entre la carga de salida y la acción mecánica tabulada, se utiliza un banco de pruebas especial como se muestra en la Fig. 2. Su característica es un efecto mecánico integral (más de 2 m de longitud del segmento del CP probado): flexión, que en su amplitud (fracciones de mm) corresponde aproximadamente a la flexión del cable en el suelo (~ 0,01.. 0,1 mm). Utilizando un amplificador de bajo ruido, se registran señales útiles y se compara el WCP de diferentes CP. El ruido propio del amplificador referido a la entrada es ~ 10-14 C (pico) en el rango de baja frecuencia ~ 0,1…1 Hz, lo que permite evaluar una señal útil con una amplitud de al menos 3•10- 14 piezas.
Se coloca un trozo de cable de 2 m de largo en una ranura entre dos tablas de pino, que luego se atan en toda su longitud con una banda elástica. La masa P de la carga, que se aplica a una palanca de 70 cm de largo (Fig. 2), es 0,1…1 kg; variar la carga permite evaluar la linealidad de la característica de transmisión de la caja de cambios. Para una mejor repetibilidad y eliminar la influencia de los golpes, la carga se instala en el soporte y se registran las señales útiles de la «retirada de la carga». La deflexión inicial de la estructura no excederá fracciones de mm, la repetibilidad (reproducibilidad) de los experimentos es de al menos el 80%. Al entrar en contacto, los electrones del metal siempre se transfieren al polímero, que está cargado negativamente y la carga está «atada». Cuando se separan el metal y el polímero, la carga liberada (en forma de corriente) fluye a través del circuito amplificador, inicialmente siempre en una dirección. Esto lo confirma la misma polaridad de las señales útiles registradas en el soporte bajo las mismas influencias mecánicas. en la mesa La Tabla 1 resume los parámetros tecnológicos y de diseño necesarios identificados para la implementación de un transductor sísmico de cable de alta sensibilidad.
Tabla 1. Parámetros tecnológicos requeridos de un CP triboeléctrico de alta sensibilidad
El desarrollo de un triboconvertidor nuevo y mejorado se basa en la implementación de las alternativas descritas anteriormente (en tecnología y diseño) en forma de prototipos, verificando sus características (en comparación con KTPEDEP), analizando deficiencias y desarrollando formas de mejora. El fabricante de muestras de cables especiales es RusInterna CJSC (Moscú), que tiene experiencia en el desarrollo de cables especiales (KTV-MF, KTVU) diseñados para registrar vibraciones de barreras mediante el efecto tribo. B Como resultado del trabajo preliminar, de acuerdo con las recomendaciones de la tabla, se fabricaron, probaron y analizaron alrededor de 30 prototipos experimentales, de los cuales se seleccionó un prototipo de un nuevo CP sismomagnetométrico. Su diseño en sección transversal se muestra esquemáticamente en la Fig. 3.
Es un cable coaxial con tres pantallas (2 de trabajo, 1 electrostática) fabricado con cinta de aluminio-dacrón. El diámetro exterior del cable es de ~ 17 mm, el espesor del aislamiento es de 1,5 mm. La señal triboeléctrica se recoge de dos pantallas internas. En el centro del transductor se encuentran 20 conductores aislados trenzados (diámetro de cobre de 0,5 mm), necesarios para la implementación del transductor magnetométrico. Un blindaje de trabajo interno rodea los conductores y una funda ranurada rodea el blindaje. El tubo está recubierto con cinta Mylar, que es el medio principal para generar triboelectricidad. A esto le sigue una segunda pantalla (de trabajo), una capa aislante de PE espumado que se arruga fácilmente, una pantalla externa (electrostática) y una carcasa de elastómero termoplástico. Las triboseñales se eliminan de los conductores de drenaje. Las características técnicas del modelo del nuevo convertidor de cable combinado en general satisfacen los requisitos. Sus pruebas a gran escala mostraron una alta sensibilidad sísmica, superando a su análogo entre 2 y 3 veces, con un aumento de la compatibilidad electromagnética de casi un orden de magnitud.
Referencias
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