RU2689539C1 - Устройство для измерения параметров морской волны - Google Patents
Устройство для измерения параметров морской волны Download PDFInfo
- Publication number
- RU2689539C1 RU2689539C1 RU2017141849A RU2017141849A RU2689539C1 RU 2689539 C1 RU2689539 C1 RU 2689539C1 RU 2017141849 A RU2017141849 A RU 2017141849A RU 2017141849 A RU2017141849 A RU 2017141849A RU 2689539 C1 RU2689539 C1 RU 2689539C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wave
- sensor
- microcontroller
- unit
- input
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 14
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000010267 cellular communication Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области навигации, а конкретно к измерению параметров морских волн с использованием электронных неконтактных измерителей. Устройство содержит датчик измерения скорости волны, датчик высоты волны, блок измерения высоты волны, инфракрасный элемент, кодирующее устройство, дешифратор, панель управления, микроконтроллер, генератор частоты, индикатор, блок передачи данных. Датчик измерения скорости волны, инфракрасный датчик, кодирующее устройство, дешифратор, панель управления, микроконтроллер и индикатор соединены последовательно, ультразвуковой датчик соединен через блок измерения высоты волны с инфракрасным элементом, генератор частоты и блок приема-передачи данных соединены с микроконтроллером. Датчик высоты волны представляет собой ультразвуковой датчик приема-передачи уровня высоты волны, выход которого подключен к входу блока измерения высоты волн. Выходы блоков 1 и 3 подключены к входам блока 4, представляющего собой инфракрасный излучатель, выходы блоков 1 и 4 подключены к входам блока кодирующего устройства 5, выход которого подключен в входу дешифратора 6, выход дешифратора 6 подключен к входу панели управления 7, выход которого подключен к входу микроконтроллера 8, к другому входу микроконтроллера подключен выход генератора частоты 9. Выход микроконтроллера 8 подключен к входу индикатора 10 и к входу блока передачи данных 11 по системе GSM/GPRS на расстояние. Технический результат заключается в повышении точности измерения, обеспечении постоянного контроля параметров волн, хранении и передаче информации о скорости, высоте и длине волны на расстояние. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Description
Техническое решение относится к области навигации, а конкретно к измерению параметров морских волн с использованием электронных неконтактных измерителей.
Известны достаточно много источников по измерению параметров волн, которые используют различные способы для достижения технического результата.
Известные устройства (А.А. Загородников «Радиолокационная съемка морского волнения» Л., Гидрометеоиздат, 1978, с. 141-158) содержат приемник и передатчик когерентной РЛС, стробирующее устройство, схему получения допплеровской частоты, частотомер, запоминающее устройство, корректирующий фильтр и спектроанализатор.
Недостатком данных устройств является длительный период измерения порядка 20 мин, что недопустимо для оперативного получения данных о волнении и фиксации площади моря. Точность измерения таких устройств невелика, требуется несколько серий измерений.
Известно устройство «Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волны» (Ванаев А.П., Чернявец В.А. - Судостроение №8-9, 1993 с. 6-8), состоящее из антенны, приемопередатчика, блока измерения высоты, измерителя частоты Допплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, устройства для определения направления прихода волн, скорости определения флуктуацинной составляющей скорости, вычислителя угла встречи с волной, позволяющее оперативно измерить параметры волнения не только с летательных аппаратов, имеющих режим висения, но и с борта любых подвижных морских объектов.
Однако он измеряет относительную высоту, определяемую разностью текущей высоты борта и возвышения профиля волны, что существенно препятствует достижению точности измерения параметров волнения. На точность измерения влияют возмущения, вызванные качкой судна.
Известно также устройство, устройство измерения параметров волнения, (патент №2137153, 1999), состоящее из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Допплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волны, вычислителя, схемы определения функциональной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислитель угла встречи с волной, а также из введенных измерительного модуля и блока коррекции, совокупность которых во взаимодействии позволяет реализовать указанный технический результат.
Недостатком устройства является сложное схемотехническое решение, использование большого количества преобразующих блоков приводит к увеличению погрешности измерения, увеличивается постоянная времени измерения и при небольших волнах результат измерения усредняется.
Известно устройство измерения параметров волнения (RU 2489731 С1 Бюл. №22, 2012), выбранное в качестве прототипа. Устройство измерения параметров волнения состоит из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Допплера, блока измерения скорости, вычислителя частоты волн и фазовой скорости волны, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, измерительного блока коррекции, а также из введенных блока антенн приема спутниковых сигналов, функционально-логического блока, монитора.
К недостаткам этого устройства можно отнести сложность обработки сигнала датчика, множество вычислительных блоков, соответственно возрастают погрешности и искажения в выходном сигнале, возможность применения этого устройства для кораблей, у которых осуществляется самовыравнивание, сложность схемотехнического и конструктивного исполнения.
Задачей технического решения является разработка устройства для измерения параметров морской волны - определение, хранение и передача информации о высоте, длине и скорости морской волны. Наличие технических параметров волны позволят использовать энергию морских волн для преобразования энергии волны в энергетическую.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства.
На фиг. 2 представлено устройство измерителя параметров волн.
На фиг. 3 представлено схематическое устройство кодирующее устройство (энкодера).
На фиг. 4 представлено устройство кодирования сигналов устройства.
На фиг. 5 представлена блок-схема микроконтроллера.
На фиг. 6 представлено устройство, поясняющее работу ультразвукового датчика.
На фиг. 7 представлен образец ультразвукового датчика.
На фиг. 8 представлена блок-схема передачи-приема информации измерителя разработанного устройства.
Устройство (фиг. 1) содержит: 1 - датчик измерения скорости волны; 2 - датчик высоты волны; 3 - блок измерения высоты волны; 4 - инфракрасный датчик; 5 - кодирующее устройство; 6 - дешифратор; 7 - панель управления; 8 - микроконтроллер; 9 - генератор частоты; 10 - индикатор; 11 - блок передачи данных. Датчик измерения скорости волны 1, инфракрасный датчик 4; кодирующее устройство 5; дешифратор 6; панель управления 7; микроконтроллер 8; и индикатор 10 соединены последовательно, датчик высоты волны 2 соединен через блок измерения высоты волны 3 с инфракрасным датчиком 4, генератор частоты 9 и блок передачи данных 11 соединены с микроконтроллером 8.
Датчик высоты волны 2 представляет собой ультразвуковой датчик приема-передачи уровня высоты волны. Выход датчика высоты волны 2, подключен к входу блока измерения высоты волн 3. Выходы датчика измерения скорости волны 1 и блока измерения высоты волны 3 подключены к входам инфракрасного датчика 4, выходы датчика измерения скорости волны 1 и инфракрасного датчика 4 подключены к входам блока кодирующего устройства 5, выход которого подключен в входу дешифратора 6, выход дешифратора 6 подключен к входу панели управления 7, выход которого подключен к входу микроконтроллера 8, к другому входу микроконтроллера подключен выход генератора частоты 9. Выход микроконтроллера 8 подключен к входу индикатора 10 и к входу блока передачи данных 11 по системе GSM/GPRS на расстояние.
Для определения переноса энергии волной, который характеризуется вектором Пойтинга или вектором плотности потока энергии, необходимо знать величины высоты, длины и скорости волны.
Разработанное устройство для измерения параметров морской волны для измерения параметров волны (фиг. 2) содержит:
-датчик высоты волны, представляющий собой ультразвуковой датчик;
- панель управления 7, включающая индикатор 10, блок передачи данных 11, соединенных с микроконтроллером 8;
- блок 12, включающий 5 - кодирующего устройство; 6 - дешифратора; 7 - панели управления; 8 - микроконтроллера; 9 - генератор частоты;
- диск 13;
- гидроцилиндр 14
- винт 15;
- редуктор 16;
- труба 17;
- упругий элемент - пружина 18;
- датчик ультразвуковой 3;
- стержень 19;
- якорь 20.
Для измерения скорости волны использованы следующие элементы: 15- винт датчика измерения скорости волны, редуктор 16, диск 13, инфракрасный датчик 4. При увеличении скорости волны увеличивается частота вращения винта.
Для измерения высоты волны в устройстве (фиг. 2) предусмотрен датчик ультразвуковой 3, помещенный в гидроцилиндре 14, сигналы от датчика принимаются приемником.
Диск 13 (фиг. 3) представляет собой кодирующее устройство 5 инкрементный энкодер, который позволяет осуществлять шифровку. Шаговый оптический энкодер состоит из следующих компонентов (фиг. 4): источника света, диска с метками, фоточувствительного датчика и диска, имеющий определенное количество отверстий, через который свет от источника попадает на фоточувствительный датчик. При вращении диска с фоточувствительного датчика имеем серию импульсов (ν=ƒ(t)), частота которых прямо пропорциональна скорости волны. Если бы на валу диска была установлена червячная передача и интегрирующий механизм для счета импульсов, то в этом случае можно было бы оценить среднее значение изменения скорости волны в том или ином месте моря за определенный интервал времени.
При вращении диска с датчика (фиг. 4, а) получаем модулированные импульсы (фиг. 4, б), которые поступают на микроконтроллер (фиг. 5) электронного блока измерительного устройства.
Для определения уровня гребня волны - высоты волны предлагается использовать ультразвуковой дальномер, который позволяет определить высоту волны Н (фиг. 6) по принципу работы эхолота. Ультразвуковой датчик (2) (фиг. 2) крепится в гидроцилиндре (14) защищен трубой (17). Принцип его действия заключается в том, что при изменении высоты волны ультразвуковые импульсы передаются на панель управления от датчика ультразвуковых сигналов (фиг. 5) на вход микроконтроллера блок 8 (фиг. 5). Микроконтроллер 8 обрабатывает сигнал, калибрует и с выхода микроконтроллера этот ультразвуковой сигнал отколиброванный в параметр высоты волны в м передается на индикатор - отсчетное устройство - жидкокристаллический дисплей 10 (фиг. 5).
Данные о скорости волны с устройства (фиг. 2) поступают на инфракрасный датчик - 4 (фиг. 5), выход которого соединен с входом микроконтроллера - 8 (фиг. 5).
Ультразвуковой датчик (фиг. 6) излучает ультразвуковые волны частотой 40 кГц. В качестве ультразвукового датчика может быть использован датчик типа HC-SR04. Датчик выдает сигнал, позволяющий определить расстояние, а, следовательно, и высоту волны (фиг. 6). Этот датчик известный и применяется как элемент разработанного устройства измерения параметров морской волны.
Ультразвуковой датчик представляет собой ультразвуковой модуль HC-SR04 (фиг. 7), имеющий 4 контакта. На первый контакт (фиг. 7) подается напряжение питания - 5В; на второй контакт - положительный импульс 10 мкс - излучающий, работающий в режиме триггера; на контакт - эхо-пин, поступает отраженный сигнал; четвертый контакт -подключается на массу (земля). Датчик типа НС - SR04.
Сенсор (фиг. 7) излучает короткий ультразвуковой импульс в начале отсчета (в момент времени 0), который отражается от объекта и принимается сенсором. Расстояние рассчитывается с момента излучения сигнала, который отражается от объекта и принимается сенсором, то есть исходя из времени излучения и до получения эха.
Полученные величины скорости волны, длины волны и высоты волны от датчиков подаются на микроконтроллер - 8 (фиг. 5) и регистрируются на индикаторе - 10. Для работы микроконтроллера предусмотрен эталонный генератор частоты 9.
С целью передачи параметров волны на расстояние, то есть на берег необходимо произвести модуляцию данных сигнала параметров волны до 150 МГц для радиопередатчика и на берегу установить демодулирующее устройство. Питание передатчика на напряжение 9В можно осуществлять с помощью батарей.
Передача сигналов о параметрах волны - высоты, длины и скорости морской волны при значительном удалении от берега можно осуществлять с помощью беспроводной связи по сотовым сетям с дальнейшей передачи в интернет. Осуществлять передачу данных по сотовым сетям GSM/GPRS можно с помощью оборудования, разработанного ООО «Энергия - Источник» г. Челябинск. Структурная блок-схема представлена на фигуре 8.
В представленной блок-схеме беспроводной передачи данных (фиг.8):
- Эн И-405 (GSM/GPRS - RS 485/232) - оконечное устройство (модем) сотовой связи ƒ=900/1800 МГц с SIM картой;
- Эн И-750 - программируемый логический контроллер, осуществляющий управление опросом датчиков, формирование, поиск информации или сигнала on-line (по запросу);
- ПЛК - программируемый логический контроллер;
- Эн И-751 - блоки преобразования - измеряют ток I=4-20 mA от датчиков блока передачи импульсов (БПИ) и передают в Эн И - 750;
- БПИ - блоки преобразования информации (БПИ).
Приемная часть на основе Эн И - 405 с использованием сети RS 485 для подключения к ноутбуку или персональному компьютеру (ПК).
Далее данные из сети можно использовать в любом удобном месте.
Технический результат: повышение точности измерения параметров за счет упрощения схемотехнического решения и применения современных электронных блоков и микроконтроллера.
Достигаемый технический результат - повышение точности измерения, постоянный контроль параметров волн. Хранение и передача информации о скорости, высоте и длине волны на расстояние.
Claims (2)
1. Устройство для измерения параметров морской волны, включающий датчик измерения скорости волны, блок передачи данных, индикатор, отличающееся тем, что содержит датчик высоты волны, блок измерения высоты волны, инфракрасный элемент, кодирующее устройство, дешифратор, панель управления, микроконтроллер, генератор частоты, причем датчик измерения скорости волны, инфракрасный датчик, кодирующее устройство, дешифратор, панель управления, микроконтроллер и индикатор соединены последовательно, ультразвуковой датчик соединен через блок измерения высоты волны с инфракрасным элементом, генератор частоты и блок передачи данных соединены с микроконтроллером.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик измерения скорости волны содержит винт, редуктор, диск, инфракрасный датчик, винт через редуктор соединен с диском, выполненным с отверстиями, ультразвуковой датчик, помещенный в гидроцилиндре, сигналы от датчика фиксируются приемником, изменение положения поплавка посредством ультразвуковых импульсов через микроконтроллер фиксируются на индикаторе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141849A RU2689539C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Устройство для измерения параметров морской волны |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141849A RU2689539C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Устройство для измерения параметров морской волны |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2689539C1 true RU2689539C1 (ru) | 2019-05-29 |
Family
ID=67037560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141849A RU2689539C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Устройство для измерения параметров морской волны |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2689539C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2275777B1 (ru) * | 1974-06-18 | 1978-02-17 | Yung Jean Marie | |
| RU2137153C1 (ru) * | 1996-01-16 | 1999-09-10 | Войсковая часть 62728 | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2384861C1 (ru) * | 2008-06-30 | 2010-03-20 | Юрий Владимирович Румянцев | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2489731C1 (ru) * | 2012-01-10 | 2013-08-10 | Антон Владимирович Чернявец | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2523102C2 (ru) * | 2012-08-10 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Устройство для измерения параметров морских волн |
-
2017
- 2017-11-30 RU RU2017141849A patent/RU2689539C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2275777B1 (ru) * | 1974-06-18 | 1978-02-17 | Yung Jean Marie | |
| RU2137153C1 (ru) * | 1996-01-16 | 1999-09-10 | Войсковая часть 62728 | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2384861C1 (ru) * | 2008-06-30 | 2010-03-20 | Юрий Владимирович Румянцев | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2489731C1 (ru) * | 2012-01-10 | 2013-08-10 | Антон Владимирович Чернявец | Устройство измерения параметров волнения |
| RU2523102C2 (ru) * | 2012-08-10 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Устройство для измерения параметров морских волн |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104280082B (zh) | 水中的通用测量数据获取 | |
| US4595925A (en) | Altitude determining radar using multipath discrimination | |
| CN102353515B (zh) | 一种浅海非线性内波声学监测方法及系统 | |
| CN110609287A (zh) | 一种双频雷达散射计及同时测量海面风场和流场的方法 | |
| KR100195576B1 (ko) | 이동 물체 속도 측정 장치 | |
| WO2013079099A1 (en) | Motion-stabilised lidar and method for wind speed measurement | |
| CN103235302B (zh) | 基于激光扫描和双探测器的距离与速度测量装置及方法 | |
| KR101238387B1 (ko) | 초음파를 이용한 빙해수조 얼음두께 계측 시스템 및 그 계측 방법 | |
| CN111766599B (zh) | 一种实时测量海浪高度的激光雷达装置及方法 | |
| CN104007286A (zh) | 一种用于河道表面流速的自动监测系统 | |
| CN103913746B (zh) | 一种船舶吃水超限检测系统及其检测方法 | |
| CN109298423A (zh) | 一种基于连续波的测浪雷达 | |
| CN103454643A (zh) | 恒定声压fsk超声波渡越时间精确测量方法 | |
| RU2350983C2 (ru) | Способ определения глубины погружения объекта | |
| RU2689539C1 (ru) | Устройство для измерения параметров морской волны | |
| RU2559159C1 (ru) | Способ измерения толщины льда | |
| US3065463A (en) | Doppler navigation systems | |
| RU2516594C1 (ru) | Способ определения ошибки оценки дистанции гидролокатором | |
| CN108427113A (zh) | 一种无人机的海冰厚度检测系统 | |
| RU2545065C2 (ru) | Способ измерения скорости звука в воде | |
| Cui et al. | Retrieval of ocean wave characteristics from K-band radar | |
| RU2510882C1 (ru) | Устройство определения высот ионосферы в зоне обзора | |
| KR100691516B1 (ko) | 초음파 송수신을 이용한 해저위치 판단 장치 | |
| EP4227202A1 (en) | Draft information generating device and draft information generating method | |
| JPS59230165A (ja) | 超音波流速流向計における流速及び流向の測定方法 |