SU868434A1 - Морской зондирующий геофизический комплекс - Google Patents

Description

(54) МОРСКОЙ ЗОНдаРУЮЩИЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Изобретение относитс  к измерительной технике, а более конктерно к автоматизированным зондирующим гидрофизическим аппаратам, предназиаченным дл  измерени  параметров морской воды. Известен комплекс ASWEPS, содержащий подводную измерительную аппаратуру , устройства дл  спуска и подъема , СУДОВ5ПО регистрирующую и анализирующую аппаратуру. Комплекс обеспечивает измерение следующих параметров температуры от -2 до +40С с погрешностью ±0, давлени  от О до 05 кг/см с погрешностью 0,25% соленость от 32,5 до 37,5% с погрешностью 0,02%; скорость звука от 1372 до 1674 м/с с погрешностью 0,03 . Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  гидрофизический зондирующий комплекс дп  измерени  параметров морской воды, который состоит из погружаемого и бортового устройства, соединенных трос-кабелем. Исток-J обеспечивает одновременную регистрацию следую1цих параметров: температуры от -2 до с погрешностью ±0,03°С и чувствительностью 0,01± +0, с инерционностью 1,0 с; электропроводности 13-68 мом/см с погрешностью ±0,03 мом/см и чувствительностью 0,01+0,005 мом/см; давле .ни  от О до 200 кгс/см с погрешностью 0,5 кгс/см и чувствительностью О,1±0,05 кгс/см . Врем  измерени  всех параметров 1,6 с. Внутри опускаемого герметичного контейнера размещены измерительные мосты, преобразователь аналоговых значений температуры, электропроводности и давлени  в пропорциональный двоичный код, устройство управлени  и синхронизации, блок св зи с бортовым устройством и блок питани . Бортова  аппаратура содержит блок с погружаемым устройством, блок синхронизации приемного регистратора, четыре регистра пам ти и преобраэо- ватель кодовых величин измер емых параметров в аналоговые сигналы, блок св зи с ЭВМ и регистрир тощим устройс вами Г27 , Указанные выше, гидрофизические комплексы производ т измерение усредненных характеристик ср.еды, не. измен   ик пульсационных характеристик. Дл  проведени  современных исследо ваний морей и океанов узке недостаточно знать значени  измер емых величин. Большое значение в формировании и эволюции мелко- и крупномасштабных океанических структур, прогнозировав НИИ и своевременном обнаружении таки грозных  влений природы., как тайфун, цунаьш играют пульсационные характе- ристики морской (плотности, тe mepaтypы, солености и т.д.). Боль шинство же существующих океанографических приборов не обладают достаточным быстродействием и чувствитель ностью дл  регистрации быстрых изменений физических параметров. Цель изобретени  - создание морского зондирующего комплекса, обеспечивающего высокочувствительное и мал инерционное измерение пульсаций скорости акустических колебаний Д V, где температуры ut, оптического показател  преломлени  йп, с последзтощим определением пульсаций плотности &р , солености Д С и адиабатической сжимаемости дЭс(д. Поставленна  цель достигаетс  тем что известный морской зондирзмщий гидрофизический комплекс, содержаний погружаемый контейнер с установленными на нем датчиком-усредненной температуры и .датчиком давлещш, Bbiходы которых через усилители подключены к одному из входов многоканального коммутатора, ко втором - входу которого подключен блок синхроьшзаци причем выход многоканального коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и блок св зи соединен с бортовым устройством, включаю11а1М последовательно соединенные блок входного преобразовател ., коммутатор ко второму входу которого подключен блок синхронизации, блок регистров пам ти, на выходе которогО подключены цифроаналоговьй преобразователь с регистратором и параллельно ему цифровое регистрирующее устройство, снабжен датчиком пульсаций температуры , датчиком пульсаций скорости 8 4 распространени  акустических колебаний и датчиком пульсаций показател  преломлени , которые вынесены в среду из погружаемого контейнера и установлены на его корпусе и чсфез усилители полсоединены к многоканальному коммутатору, а в бортовом устройстве между блоком регистров пам ти и входами цифроаналогового преобразовател  и цифрового регистрирующего устройства включен блок преобразовани  измер емых пульсагшонных параметров в пульсации плотности, сжимаемости и солености морской воды (электронно-цифровой блок). Датчик пульсаций скорости распространени  акустических колебаний содержит излучатель и приемник непрерывHbix акустических колебаний, установленные на корпусе погружаемого контейнера , а также умножитель разности частот принимаемьгх и излучаемых акустических колебаний, на выходе которого подключен фазовый детектор, размещенные в погружаемом контейнере. Аналогова  информаци  об измер емых величинах преобразуетс  в цифровой код и по трос-кабелю передаетс  на преобразователь кода бортового устройства. Через .коммутатор, раздел юпцш информацию по каналам, последовательный двоичный код подаетс  на регистры пам ти, откуда уже в параллельном виде поступает на электронно-цифровой блок. В предлагаемом устройстве введение электронно-цифрового блока служит дл  переработки входной информации о пульсаци х скорости акустических колебаний, пульсаци х температ тэы в ВЫХОДНУЮ информацию о пульсаци х плотности, солености , адиабатической сжимаемости. Далее информаци  подаетс  на цифровые и аналоговые регистрирующие устройства . На фиг.1 изображена структурна  схема предлагаемого морского зондирующего гидрофизического комплекса; на фиг, 2-4 принципиальные cxeNthi датчиков пульсаций скорости ультразвука , пульсаций температуры и пульсаций оптического показател  преломлени , соответственно. Структурна  схема содержит датчик I средней температуры, датчик 2 нульсшлий температуры, датчик 3 пульсаций скорости акустических колебаний, датчик 4 пульсаций показател  преломлени , датчик 5 да1 ге1ти  н соотачтст-вующне датчикам усилтнтельно-измери тельные блоки 6-10, многоканальный коммутатор 11, аналого-1щфровой пр образователь 12, блок 13 синхрониз ции, блок 14 Г1ита™ , блок 15 св з с бортовым устройством, линию 16 с зи, блок 17 выходного преобразовани коммутатор 18, блок 19 регистров п м ти, электронно-цифровой блок 20, блок 21 цифровой регистрации, цифро аналоговый преобразователь 22, блок аналоговый оегистоацчи, блок 24 син ронизации, блок 25 питани . Аналоговые сигналы с датчиков 1-5 параметров морской среды, усиленные и преобразованные соответствующими усилительно-измерительными блоками 6-10, поступают на многоканальный аналоговый коммутатор 11. Коммутаци  напр жений на аналогоцифровой преобразователь 12 происходит по синхроимпульсам, поступаю1Щ1М с блока 13 синхронизации. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговые величины в соответствующий двоичный последовательный код. Цифровой код в блоке 15 св зи с бортовым устройством контролируетс  по частоте и передаетс  по трос-кабелю 16 на блок 17 входного преобразовани  бортового устройства, который демодулирует поступающий двоичный код и подает его на коммутатор 18 бортового устройства . Работа коммутатора 18 синхронизируетс  блоком 24 синхоонизации с работой блоков погружаемого устройства. Далее информаци  заноситс  в регистры 19 пам ти, откуда в параллельном двоичном коде пода етс  на электронно-цифровой блок 20, где информаци  о плотности, солености и сжимаемости преобразуетс  в функциональную зависимость. В дальнейшем информаци  в виде параллельного, кода поступает на блок 21 цифровой регистрации или через цифроаналоговый преобразовател 22 записываетс  на блоке 23 аналоговой регистрации. Питание бортового устройства осуществл етс  через блок 25 питани . В качестве датчика пульсаций температуры (фиг.2) используетс  дифференциальна  гипертермопара 26, изготовленна  из 15 хромелькопелевых микротермопар с диаметром проводов 0,05 мм. Чувствительность такого датчика составл ет O., а посто н . н   времени - 0,. 1п  компенсации посто нной составл ющей температуры часть спаев термопары помещаетс  в металлическую гильзу 27 с боль- шой тепловой инерцией. Таким образом , датчик пульсаций температуры реагирует на изменение температуры во времени с периодом менее 10 мин. Колебани  температуры с большим периодом регистрируютс  датчиком 2 (фиг.) усредненной температуры, в качестве которого используетс  термистор , помещенный в металлическую гильзу с тепловой инерцией, близкой к тепловой инерции гильзы 27. Датч1 к пульсаций скорости распространени  акустических колебаний морской среды показан на фиг.З. Дп  этой цели используетс  регистраци  нестационарных частотноф 1зовых сдвигов акустических колебаний, возникающих за счет простоанственно-временных изменений CBOIICTB морской среды , которые вли ют на скорость распространени  акустических волн. Применение указанных методов позвол ет измер ть малые приращени  скорости акустических колебаний. В качестве излучател  28 и приемника 29 акустических волн используютс  пьезокерамические преобразователи , жестко установленные в откры ТОМ металлическом Koonvce, вынесенном из погг%гженного контейнера в морскую среду. Электронна  часть состоит из задающего кварцованного генератора 30 гармонических колебаний фазового усилител  31 излучаемых и принимаемых акустических сигналов и фазового детектора 32. Указанный датчик измер ет флуктуации скорости распространени  акустических воли не хуже +1 мм/с при посто нной времени датчика 1СГ с. Датчик пульсаций показател  прелом- лени  морской изображен на фиг.4. Принцип регистрации состоит в измерении отклонени  светового луча , прошедшего через исследуемую среду на базе 1000 мм, которое возникает в результате поперечных градиентов показател  преломлени . В качестве источника 33 света используетс  ампа накаливани  с набором светоильтров и коллиматором 34 щелевого типа или оптический квантовый генеатор . Луч света от источиик с коллимирующей системой проходит чеea полупрозрачное зеркало 35, про- 7 зрачное окно 36, уТсрепленное в стенке контейнера 37 и попадает на зерка ло 38, вынесенное из контейнера в морскую среду. Отража сь от зеркала 38, луч света через окно 36 понадает на зеркало 35 и затем через цилиндри ческую линзу 39 на позиционно-чувствительный фоторезистор 40, который используетс  в качестве чувйтвительного элемента. Флуктуаци  показател  преломлени  такой системой измер ютс  с разрешением +10 измер емой величины и посто нной времени светоприемника 10 с. Рассмотрим, как из данных, получа мых от датчиков пульсаций скорости акустическихколебаний, пульсаций температуры и пульсаций показател  преломлени  получаетс  информаци  о пульсаци х плотности AJJ. , соленое тидС, адиабатической сжимаемости Л РОД Считаем P const, т.е. , что означает посто нство глубины погружени . Известно, что скорость акустических колебаний выражаетс 

-i

{-)

pfb

dA

откуда A-vV Формула Лорентц-Лорентца дли показ тел  прелом-пе га  )r( пЧа), (ъ) где п - показатель преломлени  ср г - удельна  пpeлo m ющa  спо собность среды; - длина используемой светов ВОЛ1-1Ь1„ Отсюда , lbi± ) Дл  пульсаций скорости ультразвук и показател  преломлени , продифф ренцировап (1) и (З), получаем . T-HaA f i (C,A)-V -f- - -f- (ioA , ( n -t-Dr (., Разреша  рыражетте (б) относитель пульсации плотности, с учетом (4) получаем - . ... п) (. (nl-fll

ton t ,,

(-1) ;;d VI;С -t

Claims (2)

1. (() o другой стороны, так как Piconst, , имеем dc 1,8) Если д 1апазон измерени  температуры t и солености С небольшой, что имеет место в реальных услови х, то можно прин ть ,,.i d-fcj(-HAcdc), t где dt - коэффициент обьепн.ого расширени ; 3с. - коэффициент изменени  плотности за счет солрности; Р(, - среднее значение плотности, соответствующее средним в процессе измерени  температуре и солености. Учитыва , что р рр +с|р , вместо {9) получаем в линейном приближении (fo; Реша  уравнение 10 относительно dc с использованием соотношени  (7), Вьфаже1ше (11) дает св зь между мгновенными ., отклонени ми С, h и от их средних значений. Эта формула используетс  при определении пульсационных характеристик солености морской воды. Использу  соотношени  (З) и (7), имеем 1 Г ... .. п 1C/V+V cf n И) I (n-i-iltna-i; Из приведенных выкладок видно, что измер   пульсации теьтерат фы. пульсации скорости акустических колебаний , пульсаи ии показател  преломлен  , а также зна  величины V,, п,р , с   . из выражений (7), (11) и (12) получаем пульсационные значени  плотности, солености, сжимаемости . При этом нетрудно заметить, что дл  обеспечени  высокой то ности при расчете указанных пульсационньгх характеристик абсолютные значени  величин, вход щие в форму1Ш (7), (П) и (12) достаточно знать приближенно. Действительно, из (7) легко получить df Ъп --с/п (-tS) (tiM ) Если в последнем выражеш1и показа1ел преломлени  задать с точн(тстьк) по второго знака после -чап ч-ой, и.чпри ,33 и 1 ,34, то мер, вз в п,, коэффициент Ъп ( ) ) получит значерт  ,75; ,64, т.е. (l,T5-l,64;dn (15-) Коэффицтиент пропорциональности изменилс  всего лишь на 4%. Отсюда  сно, что дл  определени  cLft по измеренному значению dn в формуле (6 в качестве п достаточно вз ть сре нее значение показател  преломлени  дл  морской воды или воспользоватьс  литературными данными дл  услови близких к реализованным в экспериме те. Аналогично с расчетом других пульсационных характеристик. Таким образом, отпадает необходимость в предлагаемом гидрофизическом компле се устанавливать,датчики дл  опреде лени  абсолютных значений указанных параметров. Далее эта информаци  нар ду с измеренными значени ми пул сационных параметров преобразуетс  электронно -цифровым блоком в зависи мость и fWp, 4с.,с((Ьдд) в виде пара лельного двоичного кода и поступает на регистрирующие блоки или ЭВМ. Предлагаемый морской гидрофизический комплекс дает возможность с высокой чувствительностью и малой инерционностью получать информацию о пульсационных фоновых характерист ках морской среды, которые играют важную роль при прогнозировании мощ Ш;1Х океанических возмущений (Ураган тайфуны, цунами и др.). Это имеет важное народно-хоз йственное значение . В частности, при использовании современных систем обнаружени  цунами , которые обладают недостаточно надежностью, значительньш процент объ вл емых тревог оказываютс  лож ными. Одна ложна треетэга наносит материальный ущерб народному хоз йс ву до нескольких миллионов рублей. Имеют место случаи пропуска цунами без объ влени  тревоги. Использование предлагаемого комп лекса даст возможность создать системы более надежного прогнозировани  цунами и исключени  ложных тревог . Известно также, что, с уровнем пульсационного фона морской среды непосредственно св зано наличие планктона и с:от ветственно сосредото 3410 . чеиие кос ков рыб и других морских животных. Таким образом, по уровню пульсационнт,гх характеристик, которые могут быть зарегистрированы предлагаемым комплексом, можно судить о местах локализации скоплени  рыбы и ПОПЫСИТ1. проиэвоиительност т ее промысла . Формула изобретени  1. Морской зондирующий гидрофизический комплекс, содержащий погружаемый KOHTeiiHep с установленными на нем датчиком усредненной температуры и датчиком давлени , выходы которых через усилители подключены к одному из входов многоканального коммутатора , ко второму входу которого гтодключен блок синхронизации, причем выход многоканального KOMhfyTaTopa через аналого-цифровой прйобразователь и блок св зи соединен с бортовым устройством, вклкшающим последовательно соединенные блок входного преобразовател , коммутатор, ко второму входу которого подключен блок синхронизации, блок регистров пам ти, на выходе которого подключены цифроаналоговый преобразователь с регистратором и параллельно ему цифровое регистрирующее устройство, о т л ичающийс  тем, что, с целью повьш1ени  чувствительности определени  пульсаций плотности, снижаемости и солености морской воды путем одновременного измерени  пульсаций температуры , скорости распространени  акустических колебаний и оптического показател  преломлени  в каждой точке исследований с последующей обработкой полученных измерений, он снабжен датчиком пульсаций температуры, датчиком пульсаций скорости распространени  акустических колебаний и датчиком пульсаций оптического показател  преломлени  с соответствующими усилител ми, которые подсоединены к многоканальному коммутатору, а в бортовом устройстве между блоком регистров пам ти и входами цифроанаогового преобразовател  и цифрового регистрирующего устройства включен блок преобразовани  измен емых пуль- сационных параметров в пульсации лоскости, сжимаемости и солености орской воды. 2. Комплекс поп.1, отлича юи и с   тем, что датчик пульсаций корости распространени  акустических олебаний содержит умножитель частоты римен емых, и излучаемых акустических

   колебаний, к выходу которого подключен детектор.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   868434

   1,Маклаков А.Ф. и др. Океанографические приборы. Л. Гидl o teтeoнздат , 1975, с.141.
2. 2.Там же, с. 151 (прототип) .

   33

   фиг.З

   «#«г