RU2735003C1

RU2735003C1 - Autonomous geophysical parameters recorder

Info

Publication number: RU2735003C1
Application number: RU2020116711A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2020-10-27

Abstract

FIELD: geophysics.SUBSTANCE: invention relates to geophysics, namely to devices for recording various geophysical parameters, and can be used in oceanological research. Autonomous recorder is a sealed waterproof housing equipped with a detachable cover in the form of an optically transparent window. Recorder is equipped with a non-contact battery charging system and a non-contact operation switch system, as well as indicators of battery voltage state and operating mode of the device. Synchronization and reading of recorded information is carried out using an optical pulse and a Bluetooth communication device.EFFECT: wider range of solved tasks, high accuracy of conducted experiments and operational technological effectiveness of the device as a whole.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к геофизике, а именно к устройствам для регистрации различных геофизических параметров, и может быть использовано в океанологических исследованиях.The invention relates to geophysics, namely to devices for recording various geophysical parameters, and can be used in oceanographic research.

В океанологических исследованиях в последнее время получили распространение малогабаритные автономные регистраторы, оснащенные одним или несколькими датчиками различных геофизических параметров, например, давления окружающей среды, температуры, проводимости морской воды и других, представляющих интерес. Характерным для таких регистраторов являются малые габариты, наличие автономного источника питания и системы записи получаемой информации. Указанные особенности позволяют формировать из регистраторов распределенные в пространстве массивы, состоящие из большого количества устройств, которые синхронно записывают какие-либо параметры на значительных по площади акваториях. По истечении заданного времени работы производится сбор регистраторов и считывание записанной на внутренний накопитель информации для последующего использования. Такой способ применения регистраторов обуславливает необходимость наличия в составе регистратора высокостабильного таймера, который должен быть синхронизирован с аналогичными таймерами других регистраторов, используемых для совместной работы, перед ее началом.In oceanological research, small-sized autonomous recorders, equipped with one or more sensors of various geophysical parameters, for example, environmental pressure, temperature, seawater conductivity, and others of interest, have become widespread. Small dimensions, the presence of an autonomous power source and a system for recording the received information are characteristic of such recorders. These features make it possible to form from registrars distributed in space arrays, consisting of a large number of devices that synchronously record any parameters in water areas of significant area. After the specified time has elapsed, the recorders are collected and the information recorded on the internal storage is read out for subsequent use. This method of using the recorders necessitates the presence of a highly stable timer in the recorder, which must be synchronized with similar timers of other recorders used for joint work before it starts.

Известны различные автономные регистраторы, например, регистратор, имеющий герметичный корпус, оснащенный гидрофоном, датчиком давления, датчиком температуры, системой записи данных на карту памяти, аккумуляторной батареей и датчиком контроля положения, предполагающий возможность работы в составе антенны из нескольких аналогичных регистраторов, за счет синхронизации процесса записи по одному из входов микроконтроллера (пат. РФ №171967 U1).Various autonomous recorders are known, for example, a recorder having a sealed housing equipped with a hydrophone, a pressure sensor, a temperature sensor, a system for recording data to a memory card, a battery and a position control sensor, which assumes the possibility of working as part of an antenna from several similar recorders, due to synchronization recording process on one of the inputs of the microcontroller (US Pat. RF No. 171967 U1).

Также можно указать автономные регистраторы в герметичном корпусе, оснащенные датчиками температуры и давления в различных сочетаниях, системой записи данных на карту, аккумуляторной батареей и возможностью синхронизации путем подачи синхроимпульса по подключаемому кабелю. В процессе эксплуатации необходимо открывать корпуса регистраторов с целью извлечения карт памяти, заряда аккумуляторов и осуществления акта синхронизации (Пространственно-распределенный измерительный комплекс для мониторинга гидрофизических процессов на океаническом шельфе: Приборы и техника эксперимента, 2017, №1, с. 128-135).You can also specify stand-alone recorders in a sealed case, equipped with temperature and pressure sensors in various combinations, a system for recording data on a card, a battery and the ability to synchronize by sending a sync pulse through a connected cable. During operation, it is necessary to open the cases of the recorders in order to remove the memory cards, charge the batteries and carry out the act of synchronization (Spatially distributed measuring complex for monitoring hydrophysical processes on the ocean shelf: Instruments and Experimental Techniques, 2017, No. 1, pp. 128-135).

Недостатком данных регистраторов является необходимость регулярного вскрытия корпусов для считывания данных и заряда аккумуляторов, что требует затрат времени, которые при большом количестве регистраторов оказываются существенными. Также это повышает риск потери герметизации в результате нарушения технологии эксплуатации из-за ошибки оператора, что ведет к утрате оборудования и потере данных. Необходимость подключения кабеля для синхронизации ведет к таким же последствиям, кроме того, требуется кабель с ответвлениями, что ведет к ограничению числа синхронизируемых устройств количеством ответвлений кабеля. Отсутствие индикатора состояния аккумулятора требует в процессе эксплуатации дополнительных манипуляций, связанных с необходимостью вскрытия корпуса, для проверки степени заряда аккумулятора. Для проведения всех описанных процедур, связанных с раскрытием корпусов регистраторов необходимо помещение для защиты от воздействий окружающей среды.The disadvantage of these recorders is the need for regular opening of the cases to read data and charge the batteries, which is time-consuming, which turns out to be significant with a large number of recorders. It also increases the risk of loss of containment as a result of operational disruption due to operator error, resulting in loss of equipment and loss of data. The need to connect a cable for synchronization leads to the same consequences, in addition, a cable with branches is required, which leads to a limitation of the number of synchronized devices by the number of cable branches. The absence of a battery status indicator requires additional manipulations during operation, associated with the need to open the case to check the state of the battery charge. To carry out all the described procedures related to the opening of the recorder cases, a room for protection from environmental influences is required.

Известен автономный регистратор НОВО Water Temp Pro v2, снабженный датчиком измерения температуры морской воды (https://www.onsetcomp.com/products/data-loggers/u22-001). Регистратор представляет собой водонепроницаемый неразъемный корпус, снабженный оптически прозрачным окном, обеспечивающим работу оптического интерфейса, работающего по стандарту USB, энергонезависимой памятью, сменными батареями, обеспечивающими время работы 6 лет при частоте записи 1 раз/минуту, которые могут быть заменены только на предприятии изготовителе. Синхронизация между отдельными регистраторами обеспечивается встроенными часами, обеспечивающими ход 1 минуту/месяц в интервале температур (0-50)°C. Для считывания данных, запуска и контроля состояния батареи необходимо дополнительное устройство, которое затем через оптическую станцию передает сведения на персональный компьютер. Данный регистратор принят за прототип.Known autonomous recorder NOVO Water Temp Pro v2, equipped with a sensor for measuring the temperature of seawater (https://www.onsetcomp.com/products/data-loggers/u22-001). The recorder is a waterproof one-piece case equipped with an optically transparent window that ensures the operation of an optical interface operating according to the USB standard, nonvolatile memory, replaceable batteries that provide an operating time of 6 years at a recording frequency of 1 time / minute, which can only be replaced at the manufacturer's plant. Synchronization between individual recorders is provided by a built-in clock that provides 1 minute / month in the temperature range (0-50) ° C. To read data, start and monitor the battery status, an additional device is needed, which then transmits the information to a personal computer through an optical station. This recorder is taken as a prototype.

Однако, синхронизация с помощью часов с указанными параметрами хода не может быть признана удовлетворительной (1 минута/месяц соответствует 2 секунды в сутки) и совершенно неприемлема для датчиков, работающих с более высокой частотой записи (например, акустических). Кроме этого, регистратор требует значительных затрат на свое обслуживание: замену батарей на предприятии, необходимость дополнительной оптической базовой станции для считывания записанной информации, введения поправки для встроенных часов, контроль состояния аккумуляторных батарей. Так как работы с автономными регистраторами такого типа проводятся либо в экспедиционных условиях, либо с борта судна, данные недостатки осложняют и удорожают эксплуатацию.However, synchronization using a watch with the specified stroke parameters cannot be considered satisfactory (1 minute / month corresponds to 2 seconds per day) and is completely unacceptable for sensors operating at a higher recording frequency (for example, acoustic). In addition, the recorder requires significant expenditures for its maintenance: replacement of batteries at the enterprise, the need for an additional optical base station to read the recorded information, introduce corrections for the built-in clock, and monitor the state of batteries. Since work with autonomous recorders of this type is carried out either in expeditionary conditions or from a ship, these disadvantages complicate and increase the cost of operation.

Техническая проблема - расширение номенклатуры применяемых регистраторов гидрофизических параметров.A technical problem is the expansion of the range of used hydrophysical parameters recorders.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, надежность и точность синхронизации.The technical result is an expansion of functionality, reliability and accuracy of synchronization.

Поставленная проблема решается автономным регистратором гидрофизических параметров, включающим герметичный водонепроницаемый корпус, снабженный крышкой в виде оптически прозрачного окна и внешним карманом для постоянного магнита, установленным внутри микропроцессорным устройством с управляющей программой и внутренним накопителем, соединенным с приемно-передающим устройством по протоколу Bluetooth, фотоприемником оптического синхроимпульса, индикатором режима работы регистратора, блоком питания, термостабильным кварцевым генератором, блоком гидрофизических датчиков и системой энергопитания, включающей аккумуляторную батарею, соединенную с бесконтактным зарядным устройством и цифровым индикатором напряжения, при этом блок питания компонентов регистратора, соединен с аккумуляторной батареей через нормально-замкнутые контакты геркона, установленного с внутренней стороны корпуса напротив внешнего кармана, снабженного постоянным магнитом.The problem posed is solved by an autonomous recorder of hydrophysical parameters, which includes a sealed waterproof case equipped with a lid in the form of an optically transparent window and an external pocket for a permanent magnet, installed inside a microprocessor device with a control program and an internal storage connected to the receiving and transmitting device via Bluetooth protocol, an optical photodetector. sync pulse, an indicator of the recorder's operating mode, a power supply, a thermostable quartz generator, a hydrophysical sensor unit and a power supply system, including a battery connected to a contactless charger and a digital voltage indicator, while the power supply of the recorder components is connected to the battery through normally closed contacts of a reed switch installed on the inner side of the case opposite the outer pocket equipped with a permanent magnet.

На чертеже приведена схема заявляемого регистратора, где 1 - фотоприемник оптического синхроимпульса; 2 - крышка герметичного корпуса с оптически прозрачным окном; 3 - источник оптического синхроимпульса; 4 - персональный компьютер с встроенным устройством связи 5 по протоколу Bluetooth; 6 - цифровой вольтметр индикации состояния аккумуляторной батареи; 7 - герметичный корпус регистратора; 8 - геркон с нормально-замкнутыми контактами; 9 - постоянный магнит; 10 - наружный карман корпуса для размещения магнита; 11 - микропроцессорное устройство; 12 - термостабилизированный кварцевый генератор; 13 - аккумуляторная батарея; 14 - зарядное устройство; 15 - внешняя катушка внешнего зарядного устройства; 16 - блок геофизических датчиков; 17 - приемо-передающее устройство по протоколу Bluetooth; 18 - индикатор режима работы регистратора; 19 - блок питания; 20 - накидная гайка.The drawing shows a diagram of the claimed recorder, where 1 is an optical sync pulse photodetector; 2 - cover of a sealed housing with an optically transparent window; 3 - the source of the optical sync pulse; 4 - personal computer with a built-in communication device 5 via Bluetooth; 6 - digital voltmeter for indicating the state of the storage battery; 7 - sealed body of the recorder; 8 - reed switch with normally closed contacts; 9 - permanent magnet; 10 - outer pocket of the case for placing the magnet; 11 - microprocessor device; 12 - heat-stabilized crystal oscillator; 13 - storage battery; 14 - charger; 15 - external coil of an external charger; 16 - block of geophysical sensors; 17 - transceiver device via Bluetooth protocol; 18 - indicator of the recorder operating mode; 19 - power supply unit; 20 - union nut.

Работает устройство следующим образом. Герметичный корпус 7, например, цилиндрической формы, выполненный из диэлектрика, например, поликарбоната, закрывается крышкой с оптически прозрачным окном 2, уплотняемой, например, резиновыми кольцами и фиксируемой накидной гайки 20, что позволяет в дальнейшем открывать корпус для монтажа расположенных внутри компонентов, обслуживания их и замены в случае необходимости. Внутри корпуса расположено микропроцессорное устройство 11, осуществляющее функции управления, оцифровки сигналов блока геофизических датчиков 16 и записи полученной информации на внутренний накопитель, например, карту памяти. Для синхронизации с другими регистраторами установлен термостабилизированный кварцевый генератор 12, тактирующий работу микропроцессорного устройства 11. Для обеспечения работы компонентов регистратора служит блок питания 19, соединенный с аккумуляторной батареей 13 через нормально-замкнутые контакты геркона и содержащий необходимые преобразователи, обеспечивающие получение необходимых напряжений. Заряд аккумуляторной батареи 13 осуществляется зарядным устройством 14, содержащим внутреннюю катушку и выпрямитель. При необходимости зарядить аккумуляторную батарею регистратор размещают в непосредственной близости от внешней катушки зарядного устройства 15 с целью обеспечить электромагнитную связь между катушками. При этом при протекании во внешней катушке 15 тока высокой частоты, генерируемого внешним зарядным устройством (на фиг. 1 не показано), за счет взаимоиндукции происходит наведение переменного тока во внутренней катушке зарядного устройства 14. Зарядное устройство выпрямляет наведенный переменный ток и заряжает им аккумуляторную батарею. Для экономии энергии аккумуляторной батареи (в период хранения или в период движения к месту постановки) регистратор может быть выключен. Для этого служит геркон 8 с нормально-замкнутыми контактами, расположенный внутри корпуса таким образом, чтобы магнит 9, помещенный в карман 10, вызывал размыкание контактов геркона. Размыкание контактов геркона приводит к разрыву цепи, по которой осуществляется соединение аккумуляторной батареи 13 и блока питания 19. Для приведения регистратора в рабочее состояние магнит 9 удаляют из кармана 10. При этом замыкаются контакты геркона 8 и на блок питания 19 подается питание от аккумуляторной батареи 13, а микропроцессорное устройство 11 получает питание и переходит в режим ожидания синхронизации. При этом микропроцессорное устройство включает индикатор 18 цветом, например, желтым, который наблюдается через имеющееся оптически прозрачное окно крышки 2.The device works as follows. A sealed housing 7, for example, of a cylindrical shape, made of a dielectric, for example, polycarbonate, is closed by a lid with an optically transparent window 2, sealed, for example, with rubber rings and a lock nut 20, which allows you to open the housing in the future for installation of components located inside, maintenance and replace them if necessary. Inside the body there is a microprocessor device 11 that performs the functions of control, digitizing signals from the unit of geophysical sensors 16 and recording the received information on an internal storage, for example, a memory card. For synchronization with other recorders, a thermally stabilized crystal oscillator 12 is installed, which clocks the operation of the microprocessor device 11. To ensure the operation of the recorder components, a power supply unit 19 is used, connected to a battery 13 through normally closed reed switch contacts and containing the necessary converters to ensure the required voltages. The battery 13 is charged by a charger 14 containing an internal coil and a rectifier. If it is necessary to charge the storage battery, the recorder is placed in the immediate vicinity of the external coil of the charger 15 in order to ensure electromagnetic communication between the coils. In this case, when a high frequency current generated by an external charger (not shown in Fig. 1) flows in the external coil 15, due to mutual induction, the alternating current is induced in the internal coil of the charger 14. The charger rectifies the induced alternating current and charges the battery with it ... To save battery power (during storage or while driving to the place of setting) the recorder can be turned off. For this, a reed switch 8 with normally closed contacts, located inside the case, is used so that the magnet 9, placed in the pocket 10, causes the reed switch contacts to open. Opening the reed switch contacts leads to a break in the circuit through which the battery 13 and the power supply 19 are connected. To bring the recorder into operation, the magnet 9 is removed from the pocket 10. This closes the reed switch contacts 8 and the power supply 19 is powered from the battery 13 , and the microprocessor device 11 receives power and goes into the synchronization standby mode. In this case, the microprocessor device includes an indicator 18 with a color, for example, yellow, which is observed through the existing optically transparent window of the cover 2.

Для синхронизации нескольких регистраторов их перед работой размещают так, чтобы световой импульс от внешнего синхронизирующего устройства 3 мог бы воздействовать через оптически прозрачные окна крышек регистраторов на фотоприемники оптического синхроимпульса всех синхронизируемых регистраторов.To synchronize several recorders, they are placed before operation so that the light pulse from the external synchronizing device 3 could act through the optically transparent windows of the recorder covers on the optical sync pulse photodetectors of all synchronized recorders.

Для исключения срабатывания системы от изменений освещенности, вызванных перемещением регистраторов и перемещением светоотражающих объектов вблизи регистраторов, в цепи фотоприемника оптического синхроимпульса микропроцессорное устройство может быть снабжено фильтром, не пропускающим нижние частоты, например, с учетом примерной длительности вспышки начиная от 1 мС и менее, рабочая полоса пропускания такого фильтра должна быть от 1 кГц и выше. Кроме этого, для более надежного исключения ложного срабатывания от случайных и непреднамеренных изменений освещенности, после обнаружения синхронизирующего импульса управляющая программа микропроцессорного устройства переводит его в режим регистрации сигналов датчиков, блокируя цепи синхронизации. При этом включается индикатор 18 цветом, например, красным. Если какие-либо из синхронизируемых регистраторов не вошли в режим синхронизации, что можно обнаружить по состоянию индикатора 18, процедуру можно повторить, предварительно выключив все регистраторы путем размещения магнита 9 в кармане 10, а затем, удалив магниты, вновь перевести регистраторы в режим ожидания синхронизации.To exclude the system triggering from changes in illumination caused by the movement of the recorders and the movement of reflective objects near the recorders, the microprocessor device in the optical sync pulse photodetector circuit can be equipped with a filter that does not transmit low frequencies, for example, taking into account the approximate duration of the flash starting from 1 ms or less, the working the passband of such a filter must be 1 kHz and higher. In addition, for a more reliable exclusion of false alarms from accidental and unintentional changes in illumination, after detecting a synchronizing pulse, the control program of the microprocessor device switches it to the sensor signal registration mode, blocking the synchronization circuit. In this case, the indicator 18 turns on in color, for example, red. If any of the synchronized recorders have not entered the synchronization mode, which can be detected by the state of indicator 18, the procedure can be repeated by first turning off all the recorders by placing magnet 9 in pocket 10, and then removing the magnets, put the recorders back into the synchronization standby mode ...

Такой алгоритм работы позволяет осуществить включение и синхронизацию регистраторов непосредственно перед постановкой. При этом во время транспортировки к месту постановки не расходуется энергия аккумулятора и не расходуется напрасно объем накопителя информации регистратора. Кроме того, данная процедура может осуществляться вне защищенного от воздействия внешней среды помещения, что позволяет использовать для работы открытые палубы судов. В качестве источника оптического синхроимпульса может быть использован, например, фотоаппарат, оснащенный фотовспышкой. При этом, одновременно с синхронизацией получают фотодокумент с указанием начала времени работы.This operation algorithm allows the recorders to be switched on and synchronized immediately before setting. At the same time, during transportation to the place of setting, the battery energy is not consumed and the volume of the recorder's storage is not wasted. In addition, this procedure can be carried out outside a room protected from the external environment, which allows the use of open decks of ships for work. As the source of the optical sync pulse, for example, a camera equipped with a flash unit can be used. At the same time, simultaneously with synchronization, a photo document is received indicating the start of the working time.

Цифровой вольтметр индикации состояния аккумуляторной батареи 6 работает постоянно, что позволяет, наблюдая за ним через оптически прозрачное окно крышки 2, принимать решение о необходимости произвести зарядку аккумуляторной батареи.The digital voltmeter for indicating the state of the battery 6 works constantly, which allows, observing it through the optically transparent window of the cover 2, to make a decision on the need to charge the battery.

Для считывания информации из внутреннего накопителя микропроцессорного устройства, регистратор должен быть размещен в зоне действия Bluetooth устройства 5, которыми, как правило, штатно снабжаются компьютеры (ПК) 4. При этом устанавливается связь между приемопередающим устройством 17 регистратора и устройством 5 компьютера 4, после чего данные внутреннего накопителя переносятся в накопитель компьютера.To read information from the internal storage of the microprocessor device, the recorder must be placed in the range of Bluetooth device 5, which, as a rule, are supplied with computers (PCs) 4. This establishes a connection between the transceiver device 17 of the recorder and device 5 of the computer 4, after which the data from the internal storage is transferred to the computer storage.

Наличие связи между регистраторами позволяет дистанционно изменять параметры записи, например, частоту. Размещение нескольких регистраторов в зоне действия bluetooth устройства 5 ПК, при наличии соответствующего программного обеспечения на ПК, позволяет осуществлять последовательное считывание информации из всех регистраторов в автоматическом режиме, что при большом количестве регистраторов представляет несомненное удобство.The presence of communication between the recorders allows you to remotely change the recording parameters, for example, the frequency. Placing several recorders in the range of bluetooth device 5 PCs, with the presence of appropriate software on the PC, allows sequential reading of information from all recorders in automatic mode, which, with a large number of recorders, is undoubtedly convenient.

Заявляемый регистратор может быть реализован с использованием серийно выпускаемых промышленностью радиоэлементов. В качестве bluetooth устройства регистратора применим, например, модуль НС-06, приемником оптического синхроимпульса может служить, например, фотодиод DIL BPW34B, для индикатора режима работы может быть использован, например, двухцветный светодиод L-59EYW, микропроцессорное устройство может быть изготовлено на базе микропроцессора ATMEGA16, в качестве индикатора состояния аккумуляторной батареи пригоден, например, малогабаритный цифровой вольтметр ZC21400, в роли термостабилизированного генератора возможно использование, например, кварцевого генератора «Гиацинт -М» ИГ-2.210.003, а в качестве геркона КЭМ-3А.The claimed recorder can be implemented using commercially available radioelements. For example, the NS-06 module can be used as a bluetooth recorder device, for example, a DIL BPW34B photodiode can serve as a receiver of an optical sync pulse, for an operating mode indicator, for example, a two-color L-59EYW LED can be used, a microprocessor device can be made on the basis of a microprocessor ATMEGA16, a small-sized digital voltmeter ZC21400 is suitable as an indicator of the state of a battery, for example, a quartz generator "Hyacinth-M" IG-2.210.003, and as a reed switch KEM-3A, can be used as a thermostabilized generator.

Таким образом, предложенная конструкция автономного регистратора за счет использования неконтактной система заряда аккумуляторов, индикаторов состояния напряжения батарей, режима работы устройства, системы неконтактного выключателя, установки термостабилизированного кварцевого генератора, системы синхронизации с использованием оптического импульса и считывание записанных данных с помощью устройства связи по протоколу bluetooth, позволяет расширить спектр решаемых задач, повысить точность проводимых экспериментов, значительно повысить эксплуатационную технологичность устройства.Thus, the proposed design of an autonomous recorder due to the use of a non-contact battery charging system, indicators of battery voltage status, device operation mode, a proximity switch system, installation of a temperature-stabilized crystal oscillator, a synchronization system using an optical pulse and reading the recorded data using a bluetooth communication device , allows you to expand the range of tasks to be solved, improve the accuracy of the experiments, significantly improve the operational adaptability of the device

Claims

An autonomous recorder of hydrophysical parameters, including a sealed waterproof case, equipped with a removable cover in the form of an optically transparent window and a microprocessor device installed inside the case with a control program and an internal storage connected to a receiving and transmitting device via Bluetooth protocol, an optical sync pulse photodetector, an indicator of the recorder operation mode, a power supply unit, a thermostable quartz generator, a hydrophysical sensor unit and a power supply system including a battery connected to a contactless charger and a digital voltage indicator, while the power supply unit of the recorder components is connected to the battery through normally closed contacts of a reed switch installed on the inside of the case opposite the pocket for the permanent magnet installed on the outside of the body.