Устройство для измерения глубины залегания термоклина

 

Изобретение относится к океано7 логии и может быть использовано для . определения места изменения пространственного градиента температуры. Цель изобретения - повьшение разрешающей способности и точности измерения залегания термоклина. Жгут термопреобразователей располагается вертикально вниз в верхнем слое океана. В пределах любого деления шкалы глубин вырабатывается сигнал, характеризующий наличие изменения градиента температуры по глубине, т.е. неравенство нулю второй производной по функции температурного профиля. В общем случае полярность сигнала соответствует знаку второй производной и может служить показателем температурной инверсии . Сигналы от различных чувствительных участков на разных делениях шкалы каждого термопреобразователя, осредняются и выходной сигнал измерительного моста будет соответствовать их алгебраической сумме. Полезс @ ные сигналы на выходе термопреобразователей сформируются от одного и того (Л же участка профиля температуры. Измес рительные мосты воспринимают сигнал максимального изменения градиента температуры на глубине его возникновения и преобразуют эту глубину в параллельньй двоичньш код, поступающий на вход регистратора. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

Дбд g G Ol К 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ;!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТСРСКОМЪ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 3686582/24-10 (22) 04.01.84 (46) 30.10.86. Бюл. ¹- 40 (71) Иорской гидрофизический институт АН УССР (72) В.А. Гайский и Е.А. Власов (53) 536.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 449256, кл. G 01 К l/02, 1975.

Авторское свидетельство СССР № 238823, кл. 0 01 К 7/16, 1967.

Авторское свидетельство СССР № 808872, кл. G О! К 7/00, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИHbI ЗАЛЕГАНИЯ ТЕР1 1ОКЛИНА (57) Изобретение относится к океанологии и может быть использовано для определения места изменения пространственного градиента температуры.

Цель изобретения — повышение разреЬ шающей способности и точности измерения залегания термоклина. Жгут термопреобразователей располагается вертикально вниз в верхнем слое океана. В

„„SU; 12671?0 A 1 пределах любого деления шкалы глубин вырабатывается сигнал, характеризующий наличие изменения градиента температуры по глубине, т.е ° неравенство нулю второй производной по функции температурного профиля." В общем случае полярность сигнала соответствует знаку второй производной и может слу» жить показателем температурной инверсии. Сигналы от различных чувствительных участков па разных делениях шкалы каждого термопреобразователя. осредняются EI выходной сигнал измерительного моста будет соответствовать их алгебраической сумме. Полезные сигналы на выходе термопреобразо- ф вателей сформируются от одного и того же участка профиля температуры. Изме- 43ô рительные мосты воспринимают сигнал максимального изменения градиента температуры на глубине его возникновения и преобразуют эту глубину в параллельный двоичный код, поступающий на вход регистратора. 4 ил.

1267170

Изобретение относится к океанологии и предназначено для определения глубины перепада температуры на границе между верхним однородным слоем океана и термоклином и может быть 5 использовано и в других областях для определения места изменения пространственного градиента температуры.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и точ1О ности измерения глубины залегания термоклина.

На фиг ° 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — вариант выполнения устройства при модуляции погонного сопротивления проводов петлевой укладкой; на фиг. 3 — показана эквивалентная принципиальная схема возможного ва20 рианта выполнения измерительного моста, источника питания и блока преобразования сигнала; на фиг. 4 — графики, объясняющие принцип работы устройства.

Устройство содержит и измерительных мостов 1; (i=1, n), блок 2 питания мостов, и блоков 3 преобразования сигналов разрядов кода глубины залегания термоклина и регистратор 4. Для примера на фиг. lб показана структур30 ная схема устройства, имеющего три измерительных моста, три блока преобразования сигналов и рассчитанного на з измерение 2 =8 уровней глубины термоклина. 35

Каждый из измерительных мостов

I, содержит четыре распределенных термопреобразователя 5, 5z 5 и

54 имеющих максимальнУю длинУ, рав- 40 пую диапазону измеряемых глубин„ свитых в общий жгут и промодулированных по погонным коэффициентам температурной чувствительности в соответствии со значениями функций Радемахе- 45 ра на диапазоне измерения следующим образом. Графики функций Радемахера

r., i=-1, и+1 на примере п=3, показаны на фиг. lа. Функция г4 используется сдвинутой на четверть периода впе. 1 ред, она показана как r . Для первых

5 и третьих 5> термопреобразователей во всех мостах 1, коэффициенты температурной чувствительности имеют максимальное значение на тех участ55 ках шкалы, где сдвинутая на четверть периода вперед (n+1)-я функция РаЛемахера (на примере г4 ) имеет отрицательные. значения и (i+1) я функция Радемахера (на примере r,, i=1,3) имеет положительное значение.

Для вторых 5 и четвертых.5 термопреобразователей во всех мостах

1; коэффициенты температурной чувствительности имеют максимальное значение на тех участках шкалы, где сдвинутая на четверть периода вперед (п+1)-я функция Радемахера (на приме+ ре r4) имеет положительные значения и (п+1)-я функция Радемахера па примере r; ° =1,3) имеет положительное

I значение.

На структурной схеме устройства (фиг. lб) участки термопреобразователей с высоким коэффициентом температурной чувствительности показаны распределенными резисторами. Модуляция коэффициента температурной чувствительности может осуществляться заменой материала, изменением сечения провода или спиральной укладкой провода. Входы термопреобразователей 5; выведены на одну сторону жгута и соединены последовательно для образования мостов таким образом, что входами питания являются общие точки первого 5, и четвертого

5, второго 5 и третьего 5> термопреобразователей, а выходами моста являются общие точки первого 5 и второго 5, третьего 5 и четвертого

54 термопреобразователей. . Измерительные мосты 1; предназначены для преобразования пространственного положения максимального изменения вертикального градиента температуры в двоичный код.

Входы питания мостов !„ параллельно поданы на выходы блока 2 питания, а выходы каждого из мостов соединены с входом отдельного блока 3 преобразования сигнала. Блок 2 питания может быть постоянного, переменного или импульсного. тока, к которому особых требований (кроме достаточной мощности) не предъявляется.

Блоки 3 преобразования сигнала служат для усиления сигналов с выходов измерительных мостов и преобразования их в форму, пригодную для регистрации в блоке 4. Реализация блоКоВ 3 зависит от конкретного использования устройства и вида энергопитания мостов 1; . В частности при питании мостов постоянным или импульсным током блоками 3 могут быть дифференциальные усилители постоянного тока, I

1267170 4

Определим вторую производную профиля температуры на j-ом делении шкалы в конечных разностях как ; =(e;,- ;,1-(e;,-e,,1 (1)

И

Иэ графика 0 (Е), показанном на фиг. 4в, видно, что величина второй производной температурного профиля имеет максимальное отрицательное значение на (1, j+1) -ом участке, соответствующем верхнец границе термоклина и близка к нулю на других участках, — If

Величина 8 (2) является полезным сигналом, который выделяется термопреобразователями и измерительными мостами устройства, выполняющими one\ рацию согласно выражению (I). На четыре малых деления в пределах одного, например, Ej j-13 деления шкалы приходится один целый чувствительный участок термопреобраэователей 5;,, занимающий два средних малых деления шкалы, и две половины чувствительных участков термопреобразователей 5; занимающих крайние малые деления шкалы. Такое расположение чувствительных участков термопреобразователей из смежных плеч мостов обеспечивает выполнение операции вычисления в1орой производной градиента температуры по глубине по выражению (1).

Действительно, сопротивления термопреобраэователей на этих участках, обозначенные как Б „ В, R >, R1< (фиг. 4г) пропорциональны средним температурам 8 соответствующих слоев воды, поскольку (2) 9 о()9)

При включений R, +R 4 в одно плечо моста, а В +R 9 в смежное плечо моста, сигйал на выходе моста будет приближенно пропорционален разности ,сопротивлений плеч, т.е ° положительные и отрицательные сигналы на выходе которых соответствуют значению "1" разрядов двоичного кода глубины; а нулевые сигналы — значениям "О". Если блоки 2 питания переменного тока, то блоки 3 реализуются как фазовые дискриминаторы. В качестве регистраторов 4 могут использоваться блоки оперативной памяти или долговременные запоминающие устройст-tO ва с бумажными или магнитными носителями. Один иэ возможных вариантов реализации распределенных термопреобраэователей 5; с модуляцией погонного сопротивления петлевой укладкой проводов показан на фиг. 2, Благодаря петлевой укладке проводов на участках максимальной термочувствительности уложено шесть проводов по сравнению с двумя проводами на других участках, что эквиваз ентно повышению погонного сопротивления и коэффициента термочувствительности.

Принципиальная схема варианта исполнения тракта выработки одного раз-25 ряда кода, включающая(измерительный мост 1;, источник 2 питания и дифференциальный усилитель 6 в качестве блока 3 преобразования сигнала показана на фиг. 3. 30

Устройство работает следующим образом.

Жгут термопреобразователей 5, располагается вертикально вниз в верхнем слое океана. Термопреобразо- 35 ватели 5;„ одновременно воспринимают температуру воды. Если температура по всей длине одинакова, по .все из мерительные мосты 1; уравновешены и . сигналы на их выходах равны нуЛю. 40

Разберем случай типичного вертикального профиля температуры в верхнем слое океана. График такого профиля температуры, характеризующийся 45 участками однородного слоя (j-1, 1.1, верхней границей термоклина (j, j+1) и термоклином fj+1, +2) показан на фиг. 4а. Приведенные на графике интервалы j будем рассматривать равны- 50 ми делениям шкалы глубин и разрешающей способности устройства. В .пределах каждого деления будем рассматривать четыре (S=l,4) равных по размеру малых деления, температуру на каждом 55 из которых осредним 8 . Осредненный

t a j9 делениях профиль температуры

6 (Е) показан на фиг. 4б.

ff=(e1, R;,1-(e;, II1,(=«й.((e;,-eÄ)-(e;,-ВА

Таким образом, в пределах любого деления шкалы глубин вырабатывается. сигнал, характеризующий наличие изменения градиента температуры по глубине, т.е. неравенство нулю второй производной по функции температурного профиля. В общем случае полярность. сигнала соответствует знаку второй производной и, следовательно, может служить показателем температурной

5 12671 инверсии. Однако сигналы от различных чувствительных участков на разных делениях шкалы глубин каждого термопреобразователя 5, осредняются и выходной сигнал измерительного моста

1, будет соответствовать их алгебраической сумме. Поскольку для типовых температурных профилей характерно наличие одного максимального перепада температуры на верхней границе термо- 1р клина и изменчивость градиентов на других участках существенно меньше по величине и может иметь разные знаки, то полезные сигналы на выходе термопреобразователей 5, сформируют- . 15 ся от одного и того же у 1астка профи0 ля температуры. На фиг. 4д показаны графики возрастания от глубины сопротивлений Р, и В термодатчиков 5it и 5; при конкретном профиле темпера- 20 тури на фиг. 4а. Из графиков видно (фиг. 4д), чтб начиная с деления (j+1) сопротивление R<< становится больше, чем R и это вызвано максимальным изменением градиента темпера- 25

I туры 9 (Z) на этой глубине, соответствующей глубине залегания термоклина, Средние значения сопротивлений

R() H<> термопреобразователей 5;, и 51 в пределах делений шкалы по Зо глубине показаны на фиг. 4е, а.их разность и R — на фиг. 4ж. Из графика второй производной температуры

3 9(дЕ по глубине на фиг, 4з видно, что функция йР (Е) согласуется с функцией 8 6/0Е, т.е, максимальный сигнал разности сопротивлений плеч моста возникает на верхней границе термоклина. Измерительные мосты 1,, чувствительные элементы преобразова- 4 1 телей которых вторично промодулированы по глубине в соответствии с (1+

+1) функциями Радемахера, формирующими маску двоичного позиционного кода, воспринимают сигнал максимального из-45 менения градиента температуры на глубине его возникновения и преобразуют эту глубину в параллельный двоичный код. Двоичный код результата преобразования параллельно поступает на вход регистратора 4 или в канал пео редачи данных.

7О б

Преимуществом предлагаемого устройства является высокая чувствительность и точность измерения непосредственно в цифровом виде глубины залегания термоклина при отсутствии дистанционной электронной аппаратуры по глубине и простой аппаратуре формирования выходных сигналов. формула изобретения

Устройство для измерения глубины залегания термоклина, содержащее блок регистрации, блок питания, блок преобразования и распределенные проводные термопреобразователи с переменным погонным коэффициентом термочувствительности, причем выход блока преобразования подключен к входу блока регистрации, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности и точности измерения температурного профиля, в него введены дополнительные распределенные проводные термопреобразователи, включенные в и-мостовых схем, одна диагональ которых подключена к входу соответствующего блока преоб м разования, а другие диагонали подключены параллельно к выходу блока питания, причем первое и третье плечи мостовой схемы выполнены дискретно изменяемыми по длине и соответствуют д (. ) )g Ro, при rn (1)=1

)g о2 при r„(j) а второе и четвертое плечи о Н, при г (и+1,j)=+1

М Е при r (n+l,j) †-1 где r„(j), r„(,j) — значения нормальной и смещенной на четверть периода функций Радемахера дпя и=й мостовой схемыо

Rä,, H — фиксированные значения погонного сопротизления провоgay npH IeM Rц! R02 коэффициент термочувствительности материала; (и, j) — погонный коэффициент термочувствительности и-й мостовой схемы и )-й функции Радемахера.

12б7170

"t "г 2

5 ; Stz Sg 51

rI

521 5 гг 523 524 .. 5л 532 Й2 5л !

2 U I З )

Рие. 2

126717О ()4)

J

2 фй) г т

3 .е

У 4ю 42

Составитель Ю. Мручко

Редактор Ю. Середа Техред А.Кравчук Корректор С. Иекмар

Заказ 5752/35 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4