RU2799973C1 - Vector autonomous recorder - Google Patents

Vector autonomous recorder Download PDF

Info

Publication number
RU2799973C1
RU2799973C1 RU2023111498A RU2023111498A RU2799973C1 RU 2799973 C1 RU2799973 C1 RU 2799973C1 RU 2023111498 A RU2023111498 A RU 2023111498A RU 2023111498 A RU2023111498 A RU 2023111498A RU 2799973 C1 RU2799973 C1 RU 2799973C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electronic unit
vector
sensor
frame
sensors
Prior art date
Application number
RU2023111498A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Николаевич Ковалев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2799973C1 publication Critical patent/RU2799973C1/en

Links

Abstract

FIELD: measuring technology and hydrophysics.
SUBSTANCE: vector autonomous recorder comprises a frame, a core made of soft magnetic material, a spherical body of the vector recorder, an annular elastic caging element, an electronic unit, batteries, a piezoelectric sensor, a hydrophone, a temperature sensor, a pressure sensor, an electric coil of the retention system, a high-frequency electric coil of an induction position sensor, wiring boards of the electronic unit, magnetic field sensor.
EFFECT: simplification of the design, an increase in the reliability of the device, an expansion of the recorded parameters.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и предназначено для измерения ряда параметров физических полей океана, а именно: гидроакустического поля, включая скалярное давление и вектор колебательной скорости, вектор скорости течения окружающей среды, температуры и давления окружающей среды.The invention relates to measuring technology and hydrophysics and is intended for measuring a number of parameters of the physical fields of the ocean, namely: a hydroacoustic field, including scalar pressure and an oscillatory velocity vector, an environmental current velocity vector, ambient temperature and pressure.

Для решения прикладных и фундаментальных задач океанологии и гидроакустики известны различные датчики и измерители физических полей, среди которых можно назвать датчики гидроакустических полей - комбинированные гидроакустические приемники, датчики температуры и измерители скорости течений и датчики давления окружающей среды в точке размещения датчиков для вычисления глубины, на которой размещаются датчикиTo solve applied and fundamental problems of oceanology and hydroacoustics, various sensors and meters of physical fields are known, among which are sensors of hydroacoustic fields - combined hydroacoustic receivers, temperature sensors and current velocity meters and environmental pressure sensors at the point where the sensors are located to calculate the depth at which the sensors are placed

В качестве датчиков температуры применяют, например, выпускаемые серийно полупроводниковые датчики с цифровым выходом, которые могут непосредственно подключаться к системам записи информации на основе микропроцессоров. Датчики давления устанавливают, например, аналоговые, выпускаемые серийно, при этом выход датчика подключается к АЦП, входящему в систему записи информации на основе микропроцессора.As temperature sensors, for example, commercially available semiconductor sensors with a digital output are used, which can be directly connected to information recording systems based on microprocessors. Pressure sensors are installed, for example, analog, commercially available, while the output of the sensor is connected to the ADC, which is part of the information recording system based on a microprocessor.

Измерители течений широко представлены многочисленными конструкциями, выпускаемыми серийно. По конструктивным особенностям эти приборы можно разделить на два вида: векторные и компонентные. Векторные приборы имеют отдельно датчики скорости и направления течений (вертушки ВММ, типа Экмана- Мерца, БПВ, ДИСК, Поток, Вектор. Компонентные приборы имеют датчики компонент скорости течений и датчики положения корпуса прибора относительно магнитного меридиана (АЦИТТ) (В.П.Коровин, В.М. Тимец, «Методы и средства гидрометеорологических измерений (Океанографические работы)», С-П., Гидрометеоиздат, 2000). По измерениям компонент скорости течения и положения прибора рассчитываются на ЭВМ все необходимые параметры течений: модуль, направление проекции на параллель и меридиан. Также известны акустические измерители скорости течений, основанные на измерении допплеровсого сдвига частоты излученного сигнала, отраженного от неоднородностей среды.Current meters are widely represented by numerous commercially available designs. According to their design features, these devices can be divided into two types: vector and component. Vector devices have separate sensors for the speed and direction of currents (VMM turntables, such as Ekman-Merz, BPV, DISK, Potok, Vector. Component devices have sensors for the current velocity components and sensors for the position of the device body relative to the magnetic meridian (ACITT) (V.P. Korovin, V.M. Timets, “Methods and means of hydrometeorological measurements (Oceanographic works)”, S-P., Gidrometeoizdat, 2 000). According to the measurements of the components of the current velocity and the position of the device, all the necessary parameters of the currents are calculated on a computer: the module, the direction of the projection on the parallel and the meridian. Acoustic current velocity meters are also known, based on measuring the Doppler frequency shift of the emitted signal reflected from the inhomogeneities of the medium.

Конструктивно измерители течений представляют собой герметичные корпуса, в которых размещается электронная аппаратура и вынесенные в окружающую среду датчики, например, вертушечного типа, представляющие собой роторы с лопастями, вращающиеся под действием движущегося потока жидкости, полезным сигналом которых является частота вращения ротора, пропорциональная скорости движущегося потока жидкости. Акустические измерители также содержат герметичный корпус с электронной аппаратурой, на котором размещены излучатели и приемники акустического сигнала.Structurally, the current meters are hermetically sealed housings that house electronic equipment and sensors placed in the environment, for example, spinner type, which are rotors with blades rotating under the action of a moving fluid flow, the useful signal of which is the rotor speed proportional to the speed of the moving fluid flow. Acoustic meters also contain a sealed housing with electronic equipment, on which emitters and receivers of an acoustic signal are placed.

Следует отметить, что вертушечные измерители течений отличаются пониженной надежностью, связанной с наличием механической системы с вращающимся элементом, из-за возможности загрязнения и невысокой чувствительностью из-за наличия трения в подшипниках вертушки; акустические измерители перестают работать в водной среде при отсутствии элементов, отражающих излученный сигнал (пузырьки воздуха, различные взвеси - песок, планктон).It should be noted that spinner current meters are characterized by reduced reliability associated with the presence of a mechanical system with a rotating element due to the possibility of contamination and low sensitivity due to the presence of friction in the spinner bearings; acoustic meters stop working in the aquatic environment in the absence of elements that reflect the emitted signal (air bubbles, various suspensions - sand, plankton).

Известны и широко используются в гидроакустике комбинированные гидроакустические приемники (КГП). Приемники содержат канал акустического давления и три ортогональных канала для определения вектора колебательной скорости. Все каналы имеют единый фазовый центр, расположенный в геометрическом центре корпуса векторного приемника, имеющего, как правило, сферическую форму. Приемники снабжены системами электропитания и передачи информации. Кроме этого приемник снабжают системой, удерживающей его в определенном положении (п. РФ № 2569201 С1).Combined hydroacoustic receivers (CHRs) are known and widely used in hydroacoustics. The receivers contain an acoustic pressure channel and three orthogonal channels for determining the vibrational velocity vector. All channels have a single phase center located in the geometric center of the vector receiver housing, which, as a rule, has a spherical shape. The receivers are equipped with power supply and information transmission systems. In addition, the receiver is equipped with a system that holds it in a certain position (clause RF No. 2569201 C1).

КГП позволяют получать дополнительную информацию о гидроакустических полях за счет того, что они определяют не только скалярное давление в поле акустической волны, но и вектор колебательной скорости. Такой подход, помимо определения направления прихода акустических колебаний в рабочем диапазоне частот, позволяет рассчитывать характеристики потока мощности, за счет чего может быть получено преимущество при пеленговании шумов в изотропном поле шумов моря. Основными проблемами, ухудшающими характеристики приемников, являются вибрационные помехи, возникающие по разным причинам и передающиеся на корпус приемника за счет механической связи между приемником и элементами подвеса и наличии кабелей (кабеля) для подвода электропитания и/или вывода полезной информации. По этим же причинам за счет проникновения акустических колебаний на корпус приемника опять же через элементы подвеса и подводящие кабели происходит искажение характеристики направленности. Кроме этого возникают сложности обеспечения настолько низкой резонансной частоты упругого подвеса, чтобы она оказывалась за пределами рабочего диапазона. Следует отметить, что многие задачи гидроакустики требуют расширения рабочего диапазона, что осуществляют за счет снижения минимальной рабочей частоты, что связано как с условиями распространения звука в океане, так и с особенностями объектов, этот звук излучающих, и являющихся предметом исследования.QGP allow one to obtain additional information about hydroacoustic fields due to the fact that they determine not only the scalar pressure in the acoustic wave field, but also the vibrational velocity vector. This approach, in addition to determining the direction of arrival of acoustic oscillations in the operating frequency range, makes it possible to calculate the characteristics of the power flow, due to which an advantage can be obtained in direction finding of noise in an isotropic sea noise field. The main problems that worsen the performance of receivers are vibration interference that occurs for various reasons and is transmitted to the receiver housing due to the mechanical connection between the receiver and suspension elements and the presence of cables (cable) for supplying power and / or outputting useful information. For the same reasons, due to the penetration of acoustic vibrations on the receiver housing, again through the suspension elements and the supply cables, the directivity characteristic is distorted. In addition, there are difficulties in providing such a low resonant frequency of the elastic suspension that it is outside the operating range. It should be noted that many tasks of hydroacoustics require an expansion of the operating range, which is carried out by reducing the minimum operating frequency, which is associated both with the conditions of sound propagation in the ocean and with the features of the objects that emit this sound and are the subject of research.

Известны комбинированные приемники, в которых для уменьшения воздействия на приемник вибраций используют системы, удерживающие приемник в определенном положении с использованием эластичных нитей. Например, предлагается КГП, в котором используют двузвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, например из резиновых и кевларовых нитей (п. РФ № 106880).Combined receivers are known, in which, to reduce the impact on the receiver of vibrations, systems are used that hold the receiver in a certain position using elastic threads. For example, a CHP is proposed in which a two-link suspension system is used, in which the combined receiver is installed in a sound-transparent frame, which, in turn, is attached to the body through a tensioner, to which the combined receiver is also attached by means of a restrictive thread. Fastening is carried out by means of longs made of elastic and restrictive threads, for example, rubber and Kevlar threads (p. RF No. 106880).

Необходимо отметить, что системы подвеса КГП, включающие эластичные и ограничительные нити, а также электрические кабели, служащие для подведения электропитания и соединения датчиков с системой передачи/накопления информации, ухудшают характеристики КГП, искажая характеристику направленности; также следует отметить, что расположенные в непосредственной близости от корпуса приемника герметичные контейнеры с электронными блоками и элементами питания обладают многочисленными собственными механическими резонансами, что искажает акустическое поле, воздействующее на КГП, вызывая дополнительные погрешности измерений.It should be noted that the CHP suspension systems, including elastic and restrictive threads, as well as electrical cables that serve to supply power and connect sensors to the information transmission/accumulation system, degrade the CHP characteristics, distorting the directional characteristic; It should also be noted that sealed containers with electronic units and batteries located in the immediate vicinity of the receiver housing have numerous intrinsic mechanical resonances, which distorts the acoustic field acting on the QGP, causing additional measurement errors.

Наиболее близким к заявляемому является комбинированный гидроакустический приемник (п. РФ № 2577421 С1), содержащий корпус с грузом, расположенным в центре корпуса, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом, электронный блок преобразования акустических колебаний, систему фиксации корпуса в определенном положении, снабженную системами электропитания и передачи информации. Система фиксации корпуса выполнена в виде жесткого каркаса, снабженного неконтактной системой подвеса корпуса, состоящей из размещенных вокруг корпуса датчиков положения и постоянных магнитов, установленных внутри корпуса, а также электромагнитов, размещенных на каркасе, и электронной системы регулировки тока в электромагнитах. Системы электропитания и передачи информации выполнены дистанционными. Система передачи информации включает передающую часть, размещенную в корпусе и соединенную с электронным блоком преобразования акустических колебаний, и сопряженную с ней приемную часть, установленную на каркасе и соединенную с электронным блоком преобразования полученных сигналов, хранения и/или передачи информации, Система электропитания состоит из передающей части, расположенной на каркасе в непосредственной близости от корпуса и включающей или колебательный контур или катушку с магнитопроводом, и приемной части, включающей или настроенный на частоту колебательного контура передающей части колебательный контур или катушку с магнитопроводом отделенным от магнитопровода передающей части зазором, обеспечивающим возможность колебательного движения полого корпуса.Closest to the claimed is a combined hydroacoustic receiver (p. RF No. 2577421 C1), containing a body with a load located in the center of the body, a hydrophone channel, three vector channels installed centrally symmetrically between the body and the load, an electronic unit for converting acoustic vibrations, a system for fixing the body in a certain position, equipped with power supply and information transmission systems. The body fixation system is made in the form of a rigid frame, equipped with a non-contact body suspension system, consisting of position sensors placed around the body and permanent magnets installed inside the body, as well as electromagnets placed on the frame, and an electronic system for adjusting the current in the electromagnets. Power supply and information transmission systems are made remote. The information transmission system includes a transmitting part located in the housing and connected to an electronic unit for converting acoustic vibrations, and a receiving part associated with it, mounted on a frame and connected to an electronic unit for converting received signals, storing and / or transmitting information. a circuit or a coil with a magnetic circuit separated from the magnetic circuit of the transmitting part by a gap that provides the possibility of oscillatory movement of the hollow body.

Однако функциональные возможности приемника снижены из-за регистрации только векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей океана, конструкция устройства достаточна сложна и недостаточно точна из-за использования эластичных лонжей, крепежных нитей и электрических кабелей, а также близко расположенного герметичного контейнера с элементами питания и системой записи информации, что искажает акустическое поле вблизи устройства.However, the functionality of the receiver is reduced due to the registration of only vector-scalar measurements of the parameters of the hydroacoustic fields of the ocean, the design of the device is rather complicated and not sufficiently accurate due to the use of elastic longs, fastening threads and electric cables, as well as a closely spaced sealed container with batteries and an information recording system, which distorts the acoustic field near the device.

Заявляемое изобретением направлено на разработку конструкции приемника, обеспечивающую расширение функциональных возможностей, упрощения конструкции и снижения стоимости, улучшения рабочих характеристик комбинированного приемника, устранения искажения акустического поля и системой записи информации.The claimed invention is directed to the development of the design of the receiver, providing the expansion of functionality, simplifying the design and reducing the cost, improving the performance of the combined receiver, eliminating the distortion of the acoustic field and the information recording system.

Техническим результатом заявляемого решения является возможность одновременного получения данных о скалярном давлении в акустическом поле, векторе колебательной скорости акустического поля, векторе скорости течения, температуре окружающей среды и давлении (глубине погружения), а также улучшение формы характеристики направленности КГП, повышенная надежность устройства, как измерителя вектора скорости течений, за счет отсутствия подвижных частей, упрощение конструкции и стоимости.The technical result of the proposed solution is the possibility of simultaneously obtaining data on the scalar pressure in the acoustic field, the acoustic field oscillatory velocity vector, the current velocity vector, ambient temperature and pressure (depth of immersion), as well as improving the shape of the CGP directivity characteristic, increased reliability of the device, as a current velocity vector meter, due to the absence of moving parts, simplifying the design and cost.

Заявляемый векторный автономный регистратор включает неметаллический каркас в виде двух перпендикулярно пересекающихся колец с закрепленными в местах пересечения шестью сердечниками из магнитомягкого железа, помещенный внутрь каркаса сферический герметичный разъемный корпус нулевой плавучести из немагнитного и неэлектропроводного материала, с установленными на поверхности арретирующими элементами, отделенными от каркаса зазорами, в центре корпуса размещен являющийся одновременно инертной массой электронный блок с элементами питания, соединенный с корпусом посредством шести пьезоэлектрических датчиков, расположенных вдоль осей ортогональной системы координат, центр которой совпадает с геометрическим центром сферического корпуса, и образующих совместно с инертной массой электронного блока трехкоординатный акселерометр, внутри корпуса установлен датчик магнитного поля, на внешней поверхности корпуса симметрично установлены четыре гидрофона, датчик температуры, датчик давления окружающей среды, а напротив сердечников установлены шесть электрических катушек системы удержания, внутри которых расположены высокочастотные электрические катушки индукционных датчиков положения, при этом высокочастотные электрические катушки, акселерометры, гидрофоны и датчики температуры и давления соединены с АЦП, размещенными на электромонтажных платах электронного блока, электрические катушки подсоединены к силовым элементам электронного блока, а датчик магнитного поля подсоединен к АЦП электронного блока, снабженного системой хранения информации.The inventive autonomous vector recorder includes a non-metallic frame in the form of two perpendicularly intersecting rings with six cores of magnetically soft iron fixed at the intersection points, a spherical sealed split case of zero buoyancy placed inside the frame made of a non-magnetic and non-conductive material, with cage elements installed on the surface, separated from the frame by gaps, in the center of the case there is an electronic unit with batteries connected to the case by means of six pins, which is simultaneously an inert mass ezoelectric sensors located along the axes of an orthogonal coordinate system, the center of which coincides with the geometric center of the spherical body, and forming, together with the inert mass of the electronic unit, a three-coordinate accelerometer, a magnetic field sensor is installed inside the body, four hydrophones, a temperature sensor, an ambient pressure sensor are symmetrically installed on the outer surface of the body, and six electric coils of the retention system are installed opposite the cores, inside which are located high-frequency electric coils of induction position sensors, while high-frequency electric coils, accelerometers, hydrophones and temperature and pressure sensors are connected to ADCs located on the wiring boards of the electronic unit, electric coils are connected to the power elements of the electronic unit, and the magnetic field sensor is connected to the ADC of the electronic unit equipped with an information storage system.

Система хранения может быть выполнена, например, на SD-карте.The storage system may be implemented on an SD card, for example.

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого регистратора, где 1- каркас; 2 - сердечник из магнитомягкого материала; 3 - сферический корпус векторного регистратора; 4 - кольцевой эластичный арретирующий элемент; 5 - электронный блок; 6 - элементы питания (аккумуляторы), 7 - пьезоэлектрический датчик; 8 - гидрофон; 9 - датчик температуры; 10- датчик давления; 11 - электрическая катушка системы удержания; 12 - высокочастотная электрическая катушка индукционного датчика положения; 13 - электромонтажные платы электронного блока; 14 - датчик магнитного поля.On FIG. 1 shows a diagram of the proposed registrar, where 1 is a frame; 2 - core made of soft magnetic material; 3 - spherical body of the vector recorder; 4 - annular elastic arresting element; 5 - electronic unit; 6 - batteries (batteries), 7 - piezoelectric sensor; 8 - hydrophone; 9 - temperature sensor; 10- pressure sensor; 11 - electric coil of the retention system; 12 - high-frequency electric coil of the induction position sensor; 13 - wiring boards of the electronic unit; 14 - magnetic field sensor.

На Фиг. 2 изображен внешний вид регистратора.On FIG. 2 shows the appearance of the recorder.

Векторный автономный регистратор предназначен для работы в составе донной станции, к конструкции которой он пристыковывается с помощью крепежных элементов каркаса (на фигурах не показаны). Кольцевые эластичные арретирующие элементы 4, закрепленные на сферическом корпусе 3, отделены от конструкции каркаса 1 зазорами, что обеспечивает свободное перемещение корпуса 3 относительно каркаса 1 в пределах этих зазоров. Размеры корпуса 3 подобраны так, чтобы, при имеющейся массе корпуса 3, вместе со всеми установленными внутри и снаружи корпуса 3 устройствами, обеспечивается средняя плотность корпуса 3 примерно равной плотности воды. Каркас, изготовленный из немагнитного и неэлектропроводного материала, например из пластмассы, акрилового полимера, имеет шесть встроенных сердечников 2 из магнитомягкого железа, изолированного от воздействия воды с целью предотвращения коррозии. Напротив сердечников 2 каркаса 1 расположены электрические катушки 11 системы удержания, при протекании по которым тока возникают силы магнитного взаимодействия, притягивающие катушки 11 к сердечникам 2. Внутри катушек 11, коаксиально с ними, расположены высокочастотные электрические катушки 12 индукционных датчиков положения, по которым протекает переменный электрический ток высокой частоты, при этом индуктивное сопротивление катушки 12 зависит от индуктивности катушки, которая зависит от расстояния между катушкой 12 и сердечником 2. На электромонтажных платах 13 электронного блока 5 собрана следящая система, регулирующая ток электрических катушек 11 так, чтобы индуктивные сопротивления катушек 12, зависящие от расстояний между катушками 12 и сердечниками 2 были все одинаковыми, за счет чего обеспечивается удержание корпуса 3 в геометрическом центре каркаса 1, при этом кольцевые эластичные арретирующие элементы 4, закрепленные на сферическом корпусе 3, не будут касаться каркаса, обеспечивая корпуса 3 свободу перемещений в пределах зазоров. При этом корпус 3 получает возможность совершать колебания под воздействием акустической волны, амплитуда которых, при средней плотности корпуса 3, равной плотности воды, равна амплитуде колебаний частиц жидкости в поле акустической волны [Векторно-фазовые методы в акустике / В.А. Гордиенко, В.И. Ильичев, Л.Н. Захаров. - М.: Наука, 1989, -223с]The vector autonomous recorder is designed to work as part of a bottom station, to the structure of which it is docked using frame fasteners (not shown in the figures). The annular elastic retaining elements 4, fixed on the spherical body 3, are separated from the structure of the frame 1 by gaps, which ensures free movement of the body 3 relative to the frame 1 within these gaps. The dimensions of the housing 3 are chosen so that, with the available mass of the housing 3, together with all the devices installed inside and outside the housing 3, the average density of the housing 3 is approximately equal to the density of water. The frame, made of a non-magnetic and non-conductive material, such as plastic, acrylic polymer, has six built-in cores 2 made of soft magnetic iron, isolated from water to prevent corrosion. Opposite the cores 2 of the frame 1, there are electric coils 11 of the retention system, during the flow of current through which magnetic interaction forces arise, attracting the coils 11 to the cores 2. Inside the coils 11, coaxially with them, there are high-frequency electric coils 12 of induction position sensors, through which an alternating electric current of high frequency flows, while the inductive resistance of the coil 12 depends on the inductance of the coil, which depends on the distance between the coil 12 and core 2. On the wiring boards 13 of the electronic unit 5, a servo system is assembled that regulates the current of the electric coils 11 so that the inductive resistances of the coils 12, depending on the distances between the coils 12 and the cores 2, are all the same, which ensures that the body 3 is held in the geometric center of the frame 1, while the annular elastic cage elements 4, mounted on the spherical body 3, will not touch the frame , providing body 3 freedom of movement within the gaps. In this case, the body 3 gets the opportunity to oscillate under the influence of an acoustic wave, the amplitude of which, with an average density of the body 3, equal to the density of water, is equal to the amplitude of the oscillations of fluid particles in the field of an acoustic wave [Vector-phase methods in acoustics / V.A. Gordienko, V.I. Ilyichev, L.N. Zakharov. - M.: Nauka, 1989, -223s]

В связи с тем, что электронный блок 5 раскреплен внутри корпуса 3 посредством пьезоэлектрических датчиков 7, возникающие при колебаниях корпуса 3 силы инерции электронного блока нагружают пьезоэлектрические датчики, вызывая появление на их электродах электрического напряжения, которое посредством электрических проводов подается в приемный тракт регистрации акустических сигналов, размещенный на электромонтажных платах и содержащий усилители (при необходимости), многоканальный АЦП, подключенный к процессору электронного блока, и систему записи/хранения информации, например, на SD карте. Следует отметить, что сигналы пьезоэлектрических датчиков пропорциональны колебательному ускорению, воздействующему на корпус 3, поэтому, для получения компонент колебательной скорости, оцифрованные сигналы датчиков 7 должны быть в процессоре проинтегрированы. Аналогично, за исключением процедуры интегрирования, с помощью усилителей и многоканального АЦП в процессор вводятся сигналы гидрофонов, где осуществляется суммирование сигналов со всех гидрофонов с последующей записью на SD карту. Также, с помощью усилителей, АЦП и процессора регистрируются на SD карту сигналы датчика температуры 9 и датчика давления 10.Due to the fact that the electronic unit 5 is unfastened inside the housing 3 by means of piezoelectric sensors 7, the inertia forces of the electronic unit that occur during vibrations of the housing 3 load the piezoelectric sensors, causing the appearance of electrical voltage on their electrodes, which is fed through electrical wires to the receiving path for recording acoustic signals, located on the wiring boards and containing amplifiers (if necessary), a multichannel ADC connected to the processor of the electronic unit, and a recording/storage system information, for example, on an SD card. It should be noted that the signals of the piezoelectric sensors are proportional to the vibrational acceleration acting on the housing 3, therefore, to obtain the vibrational velocity components, the digitized signals of the sensors 7 must be integrated in the processor. Similarly, with the exception of the integration procedure, hydrophone signals are input to the processor with the help of amplifiers and a multichannel ADC, where the signals from all hydrophones are summed with subsequent recording on an SD card. Also, with the help of amplifiers, an ADC and a processor, the signals of temperature sensor 9 and pressure sensor 10 are recorded on the SD card.

При наличии течения имеет место поток, натекающий на корпус 3 с вектором скорости V, который может быть представлен в виде проекций вектора скорости на оси системы координат Vx, Vy, Vz. При этом прекции вектора скорости будут оказывать на корпус силовое воздействие, вектор силы которого F также может быть представлен проекциями на оси системы координат Fx, Fy, Fz. В общем случае сила воздействия потока на сферическое тело, находящееся в потоке, может быть представлена какIn the presence of a flow, there is a flow flowing onto the body 3 with a velocity vector V, which can be represented as projections of the velocity vector on the axes of the coordinate system Vx, Vy, Vz. In this case, the projections of the velocity vector will exert a force effect on the body, the force vector of which F can also be represented by projections on the axes of the coordinate system Fx, Fy, Fz. In the general case, the force of the flow on a spherical body in the flow can be represented as

где Where

F - сила, ρ - плотность жидкости, Cx - коэффициент гидродинамического сопротивления сферического тела, Sm - площадь мидель сферического тела, V - скорость потока.F - force, ρ - liquid density, Cx - coefficient of hydrodynamic resistance of a spherical body, Sm - midsection area of a spherical body, V - flow velocity.

Очевидно, что под действием силы F сферический корпус 3 будет стремиться к смещению относительно каркаса 1 в направлении потока, что вызовет изменение расстояний между высокочастотными катушками 12 и сердечниками каркаса 2, что вызовет работу следящей системы электронного блока, которая будет изменять протекающий в катушках 11 системы удержания ток таким образом, чтобы расстояния между высокочастотными катушками 12 и сердечниками 2 оставалось одинаковым. При этом наблюдается зависимость между разностью токов ΔI, протекающих в лежащих на одной оси системы координат катушках 11 и компонентой вектора силы F, действующей на корпус 3 со стороны потока течения вдоль той же оси системы координат:Obviously, under the action of the force F, the spherical body 3 will tend to shift relative to the frame 1 in the direction of flow, which will cause a change in the distances between the high-frequency coils 12 and the cores of the frame 2, which will cause the tracking system of the electronic unit to work, which will change the current flowing in the coils 11 of the retention system so that the distances between the high-frequency coils 12 and the cores 2 remain the same. In this case, there is a dependence between the difference of currents ΔI flowing in the coils 11 lying on the same axis of the coordinate system and the component of the force vector F acting on the body 3 from the side of the flow along the same axis of the coordinate system:

где Where

ΔI - разность токов, протекающих по катушкам, Fi - проекция вектора силы потока течения, воздействующего на сферический корпус 3 на рассматриваемую ось системы координат, k - коэффициент, зависящий, в общем случае, от геометрических и электрических параметров катушки, геометрии и магнитной проницаемости сердечника, размеров корпуса и зазора между катушкой 11 и сердечником 2.ΔI is the difference between the currents flowing through the coils, F i is the projection of the force vector of the current flow acting on the spherical body 3 on the considered axis of the coordinate system, k is a coefficient depending, in the general case, on the geometric and electrical parameters of the coil, the geometry and magnetic permeability of the core, the dimensions of the body and the gap between the coil 11 and the core 2.

Таким образом, измеряя величины токов, протекающих в катушках 11 системы удержания и вводя, например, с помощью многоканального АЦП измеренные величины в процессор электронного блока, путем дальнейшей обработки в процессоре полученных величин с учетом формул (1) и (2), получаем расчетным путем величины проекций скорости потока течения на оси системы координат Vx, Vy, Vz, которые записываются на SD карту.Thus, by measuring the values of the currents flowing in the coils 11 of the containment system and entering, for example, using a multichannel ADC, the measured values into the processor of the electronic unit, by further processing the obtained values in the processor, taking into account formulas (1) and (2), we obtain by calculation the values of the projections of the flow velocity on the axes of the coordinate system Vx, Vy, Vz, which are recorded on the SD card.

Измерения вектора колебательной скорости и вектора скорости потока течения в подавляющем большинстве случаев требуют привязки ориентации измерителя к географической системе координат, для чего векторный автономный регистратор оснащен датчиком магнитного поля 14, размещенном внутри сферического корпуса 3. Так работа системы удержания корпуса 3 в геометрическом центре каркаса 1 основана на взаимодействии магнитных полей катушек 11 с сердечниками 2, данные магнитные поля вызовут погрешности определения вектора магнитного поля Земли датчиком магнитного поля 14. Для того, чтобы исключить влияние работы системы удержания на определение ориентации устройства, измерение вектора магнитного поля Земли производится в течение небольшого периода времени перед началом работы при выключенной системе удержания, для чего используется таймер процессора, отвечающего за обеспечение работы устройства. Для этого предусматривается программная задержка включения систем векторного измерителя, отсчитываемая с помощью таймера.Measurements of the oscillatory velocity vector and the flow velocity vector in the vast majority of cases require binding the orientation of the meter to the geographic coordinate system, for which the vector autonomous recorder is equipped with a magnetic field sensor 14, located inside the spherical body 3. Thus, the operation of the body 3 retention system in the geometric center of the frame 1 is based on the interaction of the magnetic fields of the coils 11 with the cores 2, these magnetic fields will cause errors in determining the Earth's magnetic field vector by the magnetic field sensor 14. In order to exclude the influence of the operation of the containment system on the determination of the orientation of the device, the measurement of the Earth's magnetic field vector is performed for a short period of time before starting work with the hold system turned off, for which the timer of the processor responsible for ensuring the operation of the device is used. For this, a software delay for turning on the vector meter systems is provided, counted using a timer.

Следует отметить, что находящиеся в потоке течения КГП испытывают воздействие турбулентных вихрей, срывающихся в процессе обтекания с корпуса приемника, что проявляется в возникновении так называемых псевдозвуковых помех. Для борьбы с этим явлением применяют звукопрозрачные обтекатели, снижающие скорость потока, натекающего на корпус приемника; отмечается, однако, что применение обтекателей существенно ухудшает характеристику направленности КГП; кроме того, в данном случае, использование обтекателя, снижающего скорость потока, натекающего на корпус КГП вообще неприемлемо, так как воздействие потока на корпус используется для определения скорости течения. Поэтому, если рабочий диапазон КГП лежит в области существования псевдозвуковых помех, можно предложить использование нескольких векторных автономных регистраторов, расположенных недалеко друг от друга с последующей совместной обработкой сигналов, при этом акустические сигналы, записываемые регистраторами, оказываются коррелированными, а сигналы псевдозвуковых помех - некоррелированными, что позволяет, с помощью обработки полученных сигналов избавится от вышеназванных помех. Дополнительным преимуществом такого подхода является возможность образования векторно-фазовой антенны из нескольких КГП, что расширяет возможности исследования акустических полей океана.It should be noted that the CGP flows in the flow are affected by turbulent vortices that break off the receiver body during the flow, which manifests itself in the appearance of so-called pseudosonic noise. To combat this phenomenon, sound-transparent fairings are used, which reduce the speed of the flow flowing onto the receiver body; it is noted, however, that the use of fairings significantly worsens the directivity characteristic of the CHP; moreover, in this case, the use of a fairing that reduces the speed of the flow flowing onto the CGP body is generally unacceptable, since the effect of the flow on the body is used to determine the flow velocity. Therefore, if the operating range of the QGP lies in the area of existence of pseudosonic interference, it is possible to propose the use of several autonomous vector recorders located close to each other with subsequent joint signal processing, while the acoustic signals recorded by the recorders turn out to be correlated, and the pseudosonic interference signals are uncorrelated, which makes it possible, by processing the received signals, to get rid of the above-mentioned interference. An additional advantage of this approach is the possibility of forming a vector-phase antenna from several QGPs, which expands the possibilities for studying ocean acoustic fields.

Корпус регистратора выполнен разъемным и соединен, например винтами, для замены аккумуляторов, ремонта или периодического извлечения карт памяти.The body of the recorder is made detachable and connected, for example, with screws, for battery replacement, repair, or periodic removal of memory cards.

Таким образом, векторный автономный регистратор физических полей океана имеет более простую и легкую конструкцию меньшей стоимости, позволяющую решать более широкий круг задач при проведении океанологических исследований по сравнению с известными, за счет расширения регистрируемых параметров: температура, давление (глубина), ориентация относительно магнитного полюса, вектор скорости течения, вектор колебательной скорости и скалярное давление акустического поля; повышения точности измерений из-за отсутствия в непосредственной близости от сферического корпуса каких-либо герметичных объемов, искажающих акустическое поле; предложенной системой передачи информации, при которой элементы питания и система регистрации получаемой информации размещены непосредственно внутри сферического корпуса.Thus, the vector autonomous recorder of the physical fields of the ocean has a simpler and lighter design of lower cost, which allows solving a wider range of problems in oceanological research compared to the known ones, due to the expansion of the recorded parameters: temperature, pressure (depth), orientation relative to the magnetic pole, current velocity vector, oscillatory velocity vector and scalar pressure of the acoustic field; increasing the accuracy of measurements due to the absence of any hermetic volumes in the immediate vicinity of the spherical body that distort the acoustic field; the proposed system for transmitting information, in which the batteries and the system for recording the information received are placed directly inside the spherical body.

Claims (2)

1. Векторный автономный регистратор, включающий неметаллический каркас в виде двух перпендикулярно пересекающихся колец с закрепленными в местах пересечения шестью сердечниками из магнитомягкого железа, помещенный внутрь каркаса сферический герметичный разъемный корпус нулевой плавучести из немагнитного и неэлектропроводного материала, с установленными на его поверхности арретирующими элементами, отделенными от каркаса зазорами, размещенный в центре корпуса электронный блок с элементами питания, соединенный с корпусом посредством шести пьезоэлектрических датчиков, расположенных вдоль осей ортогональной системы координат, центр которой совпадает с геометрическим центром сферического корпуса, и образующих совместно с инертной массой электронного блока трехкоординатный акселерометр, внутри корпуса установлен датчик магнитного поля, а на внешней поверхности корпуса симметрично установлены четыре гидрофона, датчик температуры и датчик давления окружающей среды, также на корпусе напротив сердечников установлены шесть электрических катушек системы удержания, внутри которых расположены высокочастотные электрические катушки индукционных датчиков положения, при этом высокочастотные электрические катушки, акселерометры, гидрофоны и датчики температуры и давления соединены с АЦП, размещенными на электромонтажных платах электронного блока, электрические катушки подсоединены к силовым элементам электронного блока, а датчик магнитного поля - к АЦП электронного блока, снабженного системой хранения данных. 1. Vector autonomous recorder, including a non-metallic frame in the form of two perpendicularly intersecting rings with six cores of magnetically soft iron fixed at the intersection points, a spherical sealed split case of zero buoyancy placed inside the frame made of a non-magnetic and non-electrically conductive material, with cage elements installed on its surface, separated from the frame by gaps, an electronic unit with batteries located in the center of the case, connected to the case by means of six piezoelectric sensors located along the axes of the orthogonal coordinate system, the center of which coincides with the geometric center of the spherical body, and forming, together with the inertial mass of the electronic unit, a three-coordinate accelerometer, a magnetic field sensor is installed inside the body, and four hydrophones, a temperature sensor and an ambient pressure sensor are symmetrically installed on the outer surface of the body; lerometers, hydrophones and temperature and pressure sensors are connected to ADCs located on the wiring boards of the electronic unit, electric coils are connected to the power elements of the electronic unit, and the magnetic field sensor is connected to the ADC of the electronic unit equipped with a data storage system. 2. Векторный автономный регистратор по п.1, отличающийся тем, что система хранения данных выполнена на SD-карте.2. Vector autonomous recorder according to claim 1, characterized in that the data storage system is made on an SD card.
RU2023111498A 2023-05-04 Vector autonomous recorder RU2799973C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799973C1 true RU2799973C1 (en) 2023-07-14

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU88237U1 (en) * 2009-07-07 2009-10-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") COMBINED HYDROACOUSTIC RECEIVER
CN102226712A (en) * 2011-04-02 2011-10-26 哈尔滨工程大学 Hollow-structured three-dimensional vector hydrophone with neutral buoyancy in water
RU2577421C1 (en) * 2014-12-16 2016-03-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Combined hydroacoustic receiver
RU2708184C1 (en) * 2019-05-28 2019-12-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Combined vector receiver

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU88237U1 (en) * 2009-07-07 2009-10-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") COMBINED HYDROACOUSTIC RECEIVER
CN102226712A (en) * 2011-04-02 2011-10-26 哈尔滨工程大学 Hollow-structured three-dimensional vector hydrophone with neutral buoyancy in water
RU2577421C1 (en) * 2014-12-16 2016-03-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Combined hydroacoustic receiver
RU2708184C1 (en) * 2019-05-28 2019-12-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Combined vector receiver

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5392258A (en) Underwater acoustic intensity probe
US11204365B2 (en) Multi-axis, single mass accelerometer
JPH06323865A (en) Fixing device of submarine using magnetism marker
Gray et al. Acoustic particle motion measurement for bioacousticians: principles and pitfalls
EP4133240B1 (en) Acoustic vector sensor
RU2650839C1 (en) Low-frequency vector acoustic receiver
CN102879077B (en) Co-vibrating vector hydrophone
RU2799973C1 (en) Vector autonomous recorder
US9688371B1 (en) Vehicle based vector sensor
EP3892973A2 (en) Force sensor
RU2825562C1 (en) Combined hydroacoustic receiver
US11353085B2 (en) Cantilever assemblies and methods of providing damping for cantilever assemblies
CN113884109B (en) Three-dimensional space free body position and vector motion sensor
RU2174687C1 (en) Device measuring turbulent pulsation of speed
CN112179478B (en) Cantilever type vibration sensor based on magneto-resistance effect
SU1014154A1 (en) Sensor for acoustic measurements
RU18857U1 (en) DEVICE FOR MEASURING TURBULENT SPEEDS OF SPEED
Donskoy et al. Eddy-current non-inertial displacement sensing for underwater infrasound measurements
Agarwal et al. Design and experimentation with acoustic vector sensors
RU2177621C1 (en) Gear measuring turbulent pulsation of velocity
JPH01265185A (en) Measuring method for underground artificial elastic wave and its measuring sonde
Shchurov Theory and Technique of Vector-Phase Underwater Acoustic Measurements
FR2553520A1 (en) GONIOTELEMETRY SYSTEM
RU17989U1 (en) DEVICE FOR MEASURING TURBULENT SPEEDS OF SPEED
Krause 2.3. 1.2. 2 Electromagnetic current sensors: 2.3. 1.2 Current meters based on general effects of motion