Устройство для измерения вертикальных профилей гидрологических параметров морской воды

Устройство для измерения вертикальных профилей гидрологических параметров морской воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Соавтсиих

Соцнапистнчвсних рвсяубпнн

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<п>935769 (6l ) Дополнительное к авт. санд-ву(22)3aaai ено 29 05.80 (21) 2932744/18-25 с присоединением заявки М(23) Приоритет(51)М. Кл.

G 01 N 27/02

9)сударстеениый квинтет

СССР ео.делам изобретений и открытий

Опубликовано 15.06.82. Бюллетень М 22

Дата опубликования описания 15 ° 06 ° 82 (53) УДК 543.257 (088. 8) / 1..

I (72) Автор изобретения

А. Т. Гопко!

Морской гидрофизический институт АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ

ПРОФИЛЕЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

МОР СКОЙ ВОДЫ

Изобретение относится к исследованиям океана и предназначено для из-, мерения профилей температуры поверхностного слоя океана в условиях волнения.

Известно устройство для измерения профиля температуры, содержащее чувствительный элемент, выполненный s виде маски из нескольких термочувствительных ячеек (или в виде маски из

1О нескольких двухэлектродных ячеек), распределенных и геометрически промодулированных вдоль измеряемого про-. филя, причем выходы ячеек поданы раз15 дельно на входы измерительно-вычислительного блока. Это устройство обес, печивает высокую точность при измерении профилей температуры или электро-. проводности на различных глубинах I lj, Недостатком такого устройства является невозможность его применения для измерения профиля гидрофизических параметров, например температуры, в условиях морского волнения на грани це раздела вода - воздух.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения вертикального профиля температуры на границе раздела вода - воздух, состоящее из несущей трубчатой мачты, расположенной вертикально относительно горизонта и поддерживаемой на поверхности воды тремя поплавками, которая снабжена кронштейнами, на которых закреплены блок автоматики, двигатель и два связанные тросом шкива, и датчика температуры, закрепленных на тросе и связанных кабелем с регистратором $2).

Недостатком такого устройства является отсутствие возможности точной регистрации профиля температуры вследствие морского волнения, так как трехпоплавковая система представляет собой инерционное звено второго порядка, Поэтому определить момент вхо9357б да и выхода датчика из воды в воздух можно лишь косвенным путем по точке резкого изменения температурной кривой. Однако такое определение температуры не является однозначным, например, при равенстве температуры воды и воздуха, горизонтальной стра.тификации температуры воды и воздуха, когда наблюдается равенство температур на различных горизонтах и т.п. 16

Кроме того, экспериментально установ. лено, что вследствие колебания трехпоплавковой системы на волне можно получить только лишь интегральную оценку температуры по глубине (осреднение по глубине порядка 15 см при волнении моря до 2 баллов). Существуют колебания, вызванные волной, и их веКа личина (а/K) где К - коэффициент термодиффузии; а - амплитуда волны;

uu - угловая частота волнения. форма поверхностной волны и вызван- 25 ное ею тепловое колебание взаимосвязаны. При этом установлено, что гребень волны отстает от максимума температурной волны от 0 до 90 . Следо"

Ф вательно, для точной интерпретации Зо результатов зондирования устройство должно одновременно измерять фазовый угол волны в точке пересечения дат" чиками границы раздела.

Мель изобретения - повышение точности измерения профилей температуры и расширение функциональных возможностей измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения вертикального профиля гидрологических параметров, содержащее несущую. труб" чатую мачту, поддерживаемую поплавками в вертикальном положении, снабженную кронштейнами, на которых закреплены блок автоматики, двигатель и два связанные тросом шкива, и датчик температуры, закрепленный на тросе и связанный кабелем с блоком автоматики, введены датчик электропроо водности, закрепленный на тросе в месте расположения датчика температуры, и следящая система, состоящая из вибрационного волнографа, частотного дискриминатора, логического эле- мента И-НЕ и многоканального регистратора, причем первые выходы датчиков температуры и электропроводности

9 4 связаны поочередно с неинвертирующим входом дополнительного компаратора частотного дискриминатора, вторые их выходы связаны со входом многоканального регистратора, а третий выход .датчика электропроводности связан с первым входом логического элемента И-НЕ, второй вход которого связан с выходом предварительного усилителя волнографа, при этом одновременно выход предварительного усилителя связан через последовательно соединенные дифференцирующую цепь, генератор пилообразного напряжения, основной компаратор, фильтр, сумматор и усилитель частотного дискриминатора с двигателем, а выход генератора пилообразного напряжения через последовательно соединенные дополнительные компаратор, фильтр и электронное реле связан со входом сумматора и одновременно со входом основного компаратора.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг, 2 - блоксхема следящей системы зонда; на фиг. 3 - временная диаграмма напряжений частотного дискриминатора.

Зонд имеет несущую мачту 1, удерживаемую на поверхности с помощью поплавков 2, блок автоматики 3, кронштейн 4 для крепления двигателя 5 и герконовых реле б. Колебания чувствительного элемента (струны) волнографа 7 преобразовываются акустическим приемником 8 в напряжение электрического сигнала. Натяжение струны производится поворотом винта 9 на некоторый угол.

Датчики 10 крепятся с помощью троса 11 на шкивах 12. Кабель 13 с помощью разъема 14 соединяет выход датчиков с платой следящей системы зонда 15. Для измерения профиля температуры на разных горизонтах крепление поплавков на несущей мачте выполнено подвижным и фиксируется с помощью винта 16.

Натяжение троса 11 осуществляется с помощью гайки 17 и кронштейна 18.

Гайка 19 служит для натяжения струны и ее фиксации на мачте.

Следящая система .состоит из волнографа, который включает блок запуска

20 выход которого связан со входом вибрирующего чувствительного элемента 7, а вход - последовательно через формирователь длительности временного интервала.21, усилитель 22, ампли.9357

5 тудный селектор 23 и первый выход предварительного усилителя-ограничителя 24 связан с выходом акустического приемника 8, при этом второй выход предварительного усилителя 24 свя-s зан со входом многоканального регист" ратора 25. Третий выход предваритель" ного усилителя 24 связан со входом .частотного дискриминатора, который включает дифференцирующую цепь 26, 10 генератор пилообразного напряжения 27, выход которого связан с основным компаратором 28, выполненным. на интегральном операционном усилителе. Одновременно выход генератора пилообраз- ts ного напряжения 27 подан на вход дополнительного компаратора 29, выполненного на интегральном операционном усилителе. Выход основного компаратора 28 соединен с фильтром 30, а выходец дополнительного компаратора 29 с дополнительным фильтром 31, выход которого соединен со входом дополнительного электронного реле 32, представляющего собой операционный усили-25 тель, охваченный нелинейной отрицательнои обратной связью, выход которого подан на второй вход основного компаратора 28, а второй выход подан на сумматор 33. Выход фильтра 30 соединен со вторым входом сумматора 33, выход которого соединен со входом усилителя 34, выход усилителя 34 соединен с двигателем 5. Логический элемент И-НЕ реализован блоком 35.

Зонд работает следующим образом.

При опускании зонда на поверхность воды несущая мачта 1 погружается в воду на некоторую заданную глубину. Следящая система зонда обеспечивает равномерную протяжку датчиков

10 относительно нестационарной (взволнованной) границы раздела вода - воздух. При этом профили гидрофизических параметров регистрируются как при движении датчиков вниз, так и при движении их в обратном направлении.

Скорость двигателя 5 обратно пропорциональна градиенту температуры или

50 электропроводности в зависимости от того, по какому параметру происходит слежение. Изменение направления дви" жения датчиков 10 вверх или вниз осуществляется с помощью релейной схемы, управляющий сигнал на которую подает55 ся с концевых выключателей, выполненных на герконовых реле 6, или с логического элемента И-НЕ 34 и герконовых

69 6 реле 6 одновременно в режиме слежения по градиенту электропроводности

Следящая система зонда работает следующим образом.

Импульс с блока запуска 20 поступает на электромагнит (не показан).

При этом происходит притяжение струны, а затем вибрация.

Сигнал, частота которого пропорциональна изменению амплитуды волны, воспринимается акустическим приемником. Когда амплитуда колебания струны затухает, срабатывает амплитудный селектор 23 и через формователь длительности временного интервала 21 сигнал поступает на блок запуска 20.

Процесс повторяется., С выхода акустического приемника сигнал поступает на усилитель-ограничитель 22 и далее на частотный дискриминатор, который преобразует отклонение частоты напряжения переменного тока относительно данной частоты в напряжение.

При включении питающего напряжения и подаче на вход дифференцирующей цепи 26 напряжения U>>, представляющего собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, снимаемых с предварительного усилителя"ограничителя 24, последние дифференцируются и в виде напряжения U>< поступают на вход генератора пилообразного напряжения 27. С выхода генератора 27 напряжение U поступает на инвертирующий вход дополнительного компаратора 29, на неинвертирующий вход которого подается опорное напряжение с датчика 10 температуры или электропроводности. Одновременно пилообразное напряжение U> поступает и на инвертирующий вход основного компаратора 28.

Фильтр 30 обеспечивает получение среднего значения напряжения. U .

При f = f11 0 ф — — 0 . При изменеНии частоты входного сигнала от 0 до оо выходное напряжение дополнительного фильтра изменяется в соответствии со статической характеристикой, ширина линейной зоны которой равна

2fН, а выходное напряжение дополнительного электронного реле равна

U = 0 при изменении частоты входного сигнала от 0 до 2f> Когда частота выходного сигнала становится равной 2f, то соответственно на выходе дополнительного фильтра 31 наI ° пряжение Uф = 0Вы p.- Напряжение U g

935769 равно ОВЬЕДО, пока частота входного сигнала Г 3 2fн .При подаче на вход дополнительного электронного реле 32 Q® на его выходе формируется сигнал U< = U ь ц

Напряжение Овподается на вход сумматора 33 и одновременно на неинвертирующий вход основного компаратора 28.

В результате того, что на неинвертирующий вход компаратора 28 посту- 16 пает напряжение с выхода электронного реле 32, потенциал на этом входе станет равным U (g, а среднее значение напряжения Оф на выходе фильтра

30 равно нулю. Результирующее напря- 15 жение ПВы на выходе сумматора 33 при 3TQM pclBHQ ОВыо

Получение импульса, фиксирующего фазовый угол волны в точке пересечения датчиком электропроводности гра" m ницы Раздела двух сред, реализуется известным логическим элементом И-НЕ

34, на,один вход которого поступает сигнал с датчика электропроводности

10, а на второй вход - с четвертого 25 выхода предварительного усилителяограничителя 24. При этом выходной импульс поступает на многокальный регистратор. При обработке получен . ной информации легко установить фа- 5g зовый угол волны в точке пересечения датчиками границы раздела по волнограмме и метке границы, получаемой на выходе схемы И-НЕ, на вход котоРой подается сигнал с .волнографа и датчика электропроводности.

Одновременно выходной импульс ло- гического элемента И-НЕ служит для изменения направления движения датчиков в случае слежения по градиенту элект- 40 ропроводности, так как в воздухе значение электропроводности равно О .

Следящая система позволяет регистрировать профили температуры и электропроводности морской воды с точностью

45 1 мм при волнении моря до 3 баллов.

Применение устройства позволяет значительно повысить точность измерения профилей гидрофизических параметров на взволнованной границе раздела:

50 электропроводности, температуры и волнения,.моря, при одновременной фиксации фазового угла в точке пересечения датчиками границы раздела, что является крайне необходимым для исследования колебаний температуры и элект55 ропроводности скин-слоя, Кроме того, устройство позволяет корректно исследовать профили верхнего слоя моря, где существуют большие градиенты температуры и электропроводности.

Устройство для измерения профилей температуры и электропроводности может работать в пяти режимах: слежение только за взволнованной границей раздела с постоянной скоростью относительно границы; слежение одновременно по градиенту электропроводности и волнению, при этом скорость двигателя обратно пропорциональна градиенту электропроводности слежение одновременно по градиен-, ту температуры и волнению, при этом скорость двигателя обратно пропорциональна градиенту температуры; слежение только по градиенту электропроводности в случае спокойной границы раздела; слежение только по градиенту температуры в случае спокойной границы раздела, Во всех случаях одновременно Фиксируется момент перехода датчиками границы раздела.

Формула изобретения

Устройство для измерения вертикальных профилей гидрологических параметров морской воды, содержащее мачту, удерживающую на поверхности воды поплавками, на которой установлен двигатель с приводом, соединенным с тросом, снабженным датчиками, соединенными с регистратором, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены логический элемент

И-НЕ, волнограф, содержащий чувствительный элемент, преобразователь акустических сигналов в электрические, предварительный усилитель-ограничитель, частотный дискриминатор, содержащий усилитель, дифференцирующую цепь, генератор пилообразного напряжения, основной и дополнительный компараторы, основной и дополнительный фильтры, электронное реле, сумматор, причем первый выход датчиков соединен с одним из входов регист ратора, второй выход соединен с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, третий - с первым входом логического элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом предварительного усилителя волногра9 935769 10 фа, выход предварительного усилителя- реле соединен с входом сумматора и ограничителя соединен через последо- с входом компаратора. вательно соединенные дифференциру- ° Источники информации, ющую цепь, генератор пилообразного принятые вр внимание при экспертизе напряжения, основной компаратор, ос" 1. Авторское свидетельство СССР новной фильтр, сумматор и усилитель по заявке У 2785852/25, частотного дискриминатора с двигате- кл. G 01 N 27/02, 1980. лем, а выход генератора пилообразного 2. Андреев Е. Г. и др. 0 вертикаль напряжения через последовательно со- ном профиле температуры вблизи граединенные дополнительный компаратор, to ницы раздела море - атмосфера. "Окедополнительный фильтр и электронное анология", M., 1969, У 2, с. 348-355.

935769

>Еаза р ид

Ььц

Qgxu

Составитель М. Кривенко

Редактор M. Петрова Техред А, Ац Корректор . гар

Г. Ога

Заказ 4197/43 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Иу

U)

0р

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4