RU177210U1

RU177210U1 - Compact buoy for measuring the statistical characteristics of short surface waves on the sea surface

Info

Publication number: RU177210U1
Application number: RU2016152313U
Authority: RU
Inventors: Юрий Юрьевич Юровский; Владимир Николаевич Кудрявцев; Владимир Александрович Дулов
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2018-02-13

Abstract

Полезная модель относится к области исследования динамики морской поверхности. Компактный буй для измерения статистических характеристик коротких поверхностных волн на морской поверхности имеет водонепроницаемый корпус, трехосевой датчик ускорения и угловой скорости, трехосевой магнитометр, блок питания, блок управления, передатчик с антенной, при этом имеет цилиндрический корпус с высотой, существенно меньшей основания, а именно диаметром 20 и высотой 3 см. Технический результат – измерение в коротковолновой области спектра морского волнения. 1 ил.The utility model relates to the field of studying the dynamics of the sea surface. The compact buoy for measuring the statistical characteristics of short surface waves on the sea surface has a waterproof case, a three-axis acceleration and angular velocity sensor, a three-axis magnetometer, a power supply, a control unit, a transmitter with an antenna, while it has a cylindrical body with a height significantly less than the base, namely with a diameter of 20 and a height of 3 cm. The technical result is a measurement in the short-wave region of the spectrum of sea waves. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области исследования динамики морской поверхности, в частности, полезная модель относится к устройствам для измерения параметров морского волнения и может быть использована при наблюдениях с борта судна, а также с неподвижных морских платформ.The utility model relates to the field of studying the dynamics of the sea surface, in particular, the utility model relates to devices for measuring the parameters of sea waves and can be used for observations from the side of the vessel, as well as from fixed offshore platforms.

Для определения параметров поверхностных волн в открытом море обычно используют заякоренные буи, имеющие измерители собственных ускорений и вектора магнитного поля, с помощью которых определяются характеристики перемещения буя, вызванного волновым воздействием, в системе координат, связанной с магнитным полем Земли [1-4]. Измеренные параметры пересчитываются в стандартные гидрометеорологические характеристики (высота, направление, период значимых волн, энергетический спектр волнения), которые аккумулируются в памяти устройства и/или передаются пользователям по различным каналам связи.To determine the parameters of surface waves in the open sea, moored buoys are usually used, which have their own acceleration meters and magnetic field vectors, which determine the characteristics of buoy movement caused by wave action in the coordinate system associated with the Earth’s magnetic field [1-4]. The measured parameters are converted into standard hydrometeorological characteristics (altitude, direction, period of significant waves, wave energy spectrum), which are accumulated in the device memory and / or transmitted to users via various communication channels.

В настоящее время к наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является волновой буй [2], имеющий дисковую форму, снабженный трехосевым датчиком ускорения, трехосевым магнитометром, блоком управления и обработки данных, передатчиком, мачтой для крепления передающей антенны, якорем и плавучим стабилизирующим якорем. Буй ставится на якоре в заданной точке и работает в автономном режиме. Стабилизирующий плавучий якорь служит для уменьшения вращательных колебаний в горизонтальной плоскости. Параметры волнения, рассчитанные процессором внутри устройства, передаются по радиоканалу на берег или на судно.Currently, the closest in technical essence and the achieved result is a wave buoy [2], which has a disk shape, equipped with a three-axis acceleration sensor, three-axis magnetometer, a control and data processing unit, a transmitter, a mast for attaching a transmitting antenna, an anchor and a floating stabilizing anchor . The buoy is anchored at a given point and works offline. The stabilizing floating anchor serves to reduce rotational vibrations in the horizontal plane. The wave parameters calculated by the processor inside the device are transmitted over the air to the shore or to the ship.

К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести большие габариты корпуса и наличие мачты, которые исключают измерения в коротковолновой области спектра, а также вносят искажения в измерения за счет собственных колебаний, частота которых попадает в спектр поверхностных гравитационных волн. Большие габариты также увеличивают время, необходимое для проведения измерений на океанографических станциях.The disadvantages of the above device include the large dimensions of the hull and the presence of the mast, which exclude measurements in the short-wavelength region of the spectrum, and also introduce distortions into the measurements due to natural vibrations, the frequency of which falls into the spectrum of surface gravitational waves. Large dimensions also increase the time required for measurements at oceanographic stations.

Полезная модель отличается упрощенной конструкцией и позволяет решать задачу измерения параметров морского волнения в коротковолновой области спектра.The utility model has a simplified design and allows us to solve the problem of measuring the parameters of sea waves in the short-wave region of the spectrum.

Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, заключается в возможности измерений в коротковолновой области спектра морского волнения. Технический результат достигается благодаря уменьшению габаритов устройства, за счет упрощения его внутренней архитектуры, а также измерения угловых скоростей вращательных движений.The technical result achieved in the claimed device is the possibility of measurements in the short-wave region of the spectrum of sea waves. The technical result is achieved by reducing the dimensions of the device, by simplifying its internal architecture, as well as measuring the angular velocities of rotational movements.

Сущность полезного устройства состоит в том, что данное устройство содержит существенные признаки, общие с прототипом, но при этом имеет свои отличительные признаки. Так, корпус прибора имеет форму диска и снабжен трехосевым датчиком ускорения и магнитометром, блоком управления, источником питания, а также блоком передачи данных. Для получения необходимого технического результата в известном устройстве для измерения параметров морского волнения, имеющем дисковую форму, снабженном трехосевым датчиком ускорения, трехосевым магнитометром, блоком управления, блоком обработки данных, передатчиком, мачтой для крепления передающей антенны, якорем и плавучим стабилизирующим якорем, предлагается уменьшить габариты корпуса за счет исключения блока обработки данных, уменьшения энергоемкости источника питания, а также убрать якорь и стабилизирующий плавучий якорь, вместо которых использовать датчики угловых скоростей и ускорений, позволяющие учитывать вращательные движения корпуса при обработке данных. В результате корпус устройства может представлять собой цилиндр, высота которого существенно меньше диаметра основания, что приводит к тому, что собственные частоты колебательных движений корпуса на морской поверхности лежат вне измеряемого спектра волнения и не искажают его.The essence of the useful device is that this device contains essential features common to the prototype, but it has its own distinctive features. So, the device case has the form of a disk and is equipped with a three-axis acceleration sensor and magnetometer, control unit, power source, as well as a data transmission unit. To obtain the desired technical result in the known device for measuring sea waves, having a disk shape, equipped with a three-axis acceleration sensor, three-axis magnetometer, control unit, data processing unit, transmitter, mast for mounting the transmitting antenna, anchor and floating stabilizing anchor, it is proposed to reduce the size hulls by eliminating the data processing unit, reducing the power consumption of the power source, and also remove the anchor and the stabilizing floating anchor, together one hundred of which use angular velocity and acceleration sensors, allowing to take into account the rotational motion of the housing when processing data. As a result, the casing of the device can be a cylinder, the height of which is significantly less than the diameter of the base, which leads to the fact that the natural frequencies of the vibrational movements of the casing on the sea surface lie outside the measured wave spectrum and do not distort it.

Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели достаточна для достижения результата, связанного с измерением параметров морского поверхностного волнения в коротковолновом диапазоне.The set of essential features of the claimed utility model is sufficient to achieve a result associated with measuring the parameters of sea surface waves in the short-wave range.

На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства (А - общий вид, Б - блок-схема).The figure shows a structural diagram of the inventive device (A is a General view, B is a block diagram).

1 - водонепроницаемый корпус; 2 - антенна; 3 - фал; 4 - аккумулятор; 5 - выключатель; 6 - блок управления; 7 - передающий модуль; 8 - трехосевой датчик ускорения и угловой скорости; 9 - трехосевой магнитометр.1 - waterproof housing; 2 - antenna; 3 - halyard; 4 - battery; 5 - switch; 6 - control unit; 7 - transmitting module; 8 - three-axis acceleration and angular velocity sensor; 9 - three-axis magnetometer.

Конструкция предлагаемого буя состоит из следующих основных частей (деталей). Водонепроницаемый корпус 1 изготовлен из пластмассы, имеет диаметр 20 см и высоту 3 см. Сверху корпус закрыт герметизированной крышкой с отверстием в центре, в котором через водонепроницаемую манжету крепится передающая антенна. К корпусу через вертлюг крепится нейлоновый фал 3, диаметр которого составляет 0,5 мм. Внутри корпуса находятся литий-ионные аккумуляторы 4, соединяющиеся через магнитный переключатель 5 с блоком управления б. Трехосевой датчик ускорения и угловых скоростей 8 расположен на вертикальной оси симметрии корпуса. Центр тяжести расположен ниже центра плавучести, при этом оба находятся на вертикальной оси симметрии корпуса. Трехосевой магнитометр 9 расположен в одной плоскости с датчиком 8. Сигналы датчиков 8 и 9 через блок управления 6 поступают в передатчик 7.The design of the proposed buoy consists of the following main parts (parts). The waterproof case 1 is made of plastic, has a diameter of 20 cm and a height of 3 cm. The top of the case is closed by a sealed cover with a hole in the center, in which a transmitting antenna is mounted through a waterproof cuff. A nylon halyard 3 is attached to the body through the swivel, the diameter of which is 0.5 mm. Inside the case are lithium-ion batteries 4, connected via a magnetic switch 5 to the control unit b. A three-axis acceleration and angular velocity sensor 8 is located on the vertical axis of symmetry of the housing. The center of gravity is located below the center of buoyancy, while both are on the vertical axis of symmetry of the hull. Three-axis magnetometer 9 is located in the same plane with the sensor 8. The signals of the sensors 8 and 9 through the control unit 6 enter the transmitter 7.

Устройство работает следующим образом. В режиме ожидания буй находится в специальном футляре, имеющим на дне магнит, который размыкает магнитные контакты переключателя 5. Для начала работы буй достают из футляра, при этом контактные переключатели замыкаются, включая тем самым прибор. Для измерений буй крепят с помощью нейлонового фала к безинерционной лебедке и выбрасывают за борт так, чтобы антенна находилась сверху. По мере свободного дрейфа буя вытравливают фал так, чтобы он все время имел слабину. Сигналы датчиков регистрируются и обрабатываются на борту судна с помощью персонального компьютера. По завершении измерений буй поднимают на борт с помощью фала.The device operates as follows. In standby mode, the buoy is in a special case with a magnet at the bottom that opens the magnetic contacts of switch 5. To start work, the buoy is removed from the case, and the contact switches are closed, thereby turning on the device. For measurements, the buoy is attached with a nylon halyard to an inertia-free winch and thrown overboard so that the antenna is on top. As the buoy drifts freely, the halyard is etched so that it always has slack. Sensor signals are recorded and processed on board the ship using a personal computer. Upon completion of the measurements, the buoy is lifted aboard using a halyard.

Прототип предлагаемого буя испытывался в лабораторных условиях, в результате чего удалось регистрировать сигналы датчиков на расстоянии до 300 м. При этом размеры корпуса таковы, что возможно измерение параметров волн длиной 40 см и более, в то время как нижний предел для известных образцов составляет несколько метров.The prototype of the proposed buoy was tested in laboratory conditions, as a result of which it was possible to record the signals of the sensors at a distance of up to 300 m. At the same time, the dimensions of the case are such that it is possible to measure the parameters of waves with a length of 40 cm or more, while the lower limit for known samples is several meters .

Литература:Literature:

1. Пыхов Н.В. Динамические процессы береговой зоны моря // 2003, М.: Научный мир ISBN: 5-89176-197-1, с. 312.1. Pykhov N.V. Dynamic processes of the coastal zone of the sea // 2003, M .: Scientific world ISBN: 5-89176-197-1, p. 312.

2. Патент US 4515013A США / Jean-Pierre Hue; Apparatus for measuring the vertical acceleration due to the swell, опубл. 07.05.1985.2. U.S. Patent 4,515,013A / Jean-Pierre Hue; Apparatus for measuring the vertical acceleration due to the swell, publ. 05/07/1985.

3. K.E. Steele, Chung-Chu Teng, D.W.C. Wang, Wave direction measurements using pitch-roll buoys // 1992, Ocean Engineering, Vol. 19, Iss. 4, pp. 349-375.3. K.E. Steele, Chung-Chu Teng, D.W.C. Wang, Wave direction measurements using pitch-roll buoys // 1992, Ocean Engineering, Vol. 19, Iss. 4, pp. 349-375.

4. NDBC, 2009: Handbook of Automated Data Quality Control Checks and Procedures NDBC Technical Document 09-02, NDBC, Stennis Space Center, MS, 78 pp. [Available on-line at http://www.ndbc.noaa.gov/NDBCHandbookofAutomatedDataQualityControl2009.pdf]4. NDBC, 2009: Handbook of Automated Data Quality Control Checks and Procedures NDBC Technical Document 09-02, NDBC, Stennis Space Center, MS, 78 pp. [Available on-line at http://www.ndbc.noaa.gov/NDBCHandbookofAutomatedDataQualityControl2009.pdf]

Claims

A compact buoy for measuring the statistical characteristics of short surface waves on the sea surface, having a waterproof housing, a three-axis acceleration and angular velocity sensor, a three-axis magnetometer, a power supply, a control unit, a transmitter with an antenna, characterized in that it has a cylindrical body with a height significantly less than the base , namely, a diameter of 20 and a height of 3 cm.