Устройство для определения распределения солености воды

 

Использование: океанографические исследования . Сущность изобретения: устройство содержит погружаемое устройство с датчиками давления, электропроводности и двумя датчиками температуры, а также бортовое устройство, содержащее средства запоминания информации, определения разности показаний датчиков температуры вычисления текущего значения солености. 1 з.п ф-лы., 5 ил

СОЮЗ CORF ГСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sI)s 6 01 N 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTMSIM

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4803498/25 (22) 19.03,90 (46) 15.08,92. Бюл. N 30 (71) Донецкий политехнический институт (72)А,А. Зори, Е.О. Савкова и E.В. Резанцева (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 571740, кл. 6 01 К 27/04, 1960.

"У1аклаков.А.Ф. и др. Океанографические приборы. Л„Гидрометеоиздат, 1975, с. 151.

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к устройствам исследования гидрофизических полей, турбулентных процессов и других свойств водной среды.

Одним из важнейших путей совершенствования исследований в океане является переход от пассивного сбора информации к постановке целенаправленного эксперимента в темпе временной изменчивости исследуемых процессов. Известно устройство для автоматического контроля концентрации электролитов, содсржащее измеритель электропроводности, к выходу которого подключены последовательно соединенные множительное устройство, интегратор и ячейка памяти, причем интегратор и ячейка памяти соединены с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к нагревателю, измеритель температуры, выход которого подключен ко входу блока управления и через дифференциатор к множительному устройству, Это устройство измеряет интегральное значение произведения электропроводности на скорость изменения температуры электролита, по,, SU „„1755157A1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕНОСТИ ВОДЫ (57) Использование: океанографические исследования, Сущность изобретения, устройство содержит погружаемое устройство с датчиками давления, электропроводности и двумя датчиками температуры, а также бортовое устройство, содержащее средства запоминания информации, определения разности показаний датчиков температуры вычисления текущего значения солености. 1 з,п. ф-лы„5 ил. величине которого и судят о концентрации раствора, Недостатками устройства являются сложность и трудоемкость процесса определения концентрации из-за взятия пробы раствора обьемом, соответствующим объему измерительной ячейки и обязательного нагрева в достаточно большом интервале температур, что существенно снижает оперативность процесса измерения и не позволяeт использовать устройство для непрерывного контроля концентрации в произвольном объеме жидкости.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому устройству является гидрофизическим зондирующий комплекс "Исток-3"", предназначенный для получения профилей распределения температуры и удельной электропроводности по глубине с дрейфующего судна и состоящий из погружаемого и бортового устройств, соединенных кабель-тросом, "Исток — 3" обеспечивает одновременную регистрацию следующих параметров температуры от -2 до+35 С с погрешностью + 0,03"С и чувствительностью 0,01 + 0,005"С с инерционностью 1,0 с; злектропроводности от 13 до

1755157

68 мсм/".м с погрешностью + 0,03 мсм/см и чувствительностью 0,01 +. 0,005 мсм/см; давления от О до 200 кгс/см с погрешно2 стью 0,5 кгс/см и чувствительностью

0,1+ 0,05 кгс/см . Время измерения всех 5 параметров 1,6 с, Внутри опускаемого герметического контейнера размещены измерительные мосты, аналого-цифровой преобразователь, устройство управлейия и синхронизации, 10 блок связи с бортовым устройством и блок питания. Бортовая аппаратура содержит блок" связи с. погружаемым устройством, блок синхронлзации приемного регистратора, четыре регистра памяти, цифроаналого- 15 вый преобразователь, блок связи с регистрирующими устройствами и устройство индикации.

Бортовое устройство служит для преобразования измеряемых океанографических 20 элементов и их регистрации в аналоговой и цифровой форме. По окончании зондирования производится перезапись исходных данных на магнитную ленту. По этим массивам ЦВМ производит контроль грубых 25 сбоез отдельных отчетов; коррекцию постоянной времени термометра сопротивления; интерполяцию данных к одному осменту времени;.вычисление солености, плотности, скорости звука и т.д. 30

При проведении глдрофизических исс.ледований очень важно получение экспресс-информации о распределении солености, плотности и T,ä, в реальном масштабе времени. В районе термоклина, 35 особенно при высоких скоростях зондирования, из-за несоответствия динами еских характеристик каналов температуры и электропроводности получаются большие динамические погрешности вычисления 40 солености, как косвенного параметра Т и E.

Эта погрешность в прототипе корректируется по окончании зондировзнйя" с учетом известной постоянной времени датчика температуры. Поскольку постоянная време- 45 ни датчика изменяется в процессе его эксплуатации, то указанная динамическая погрешность определения солености компенсируется не полностью.

Недостатками прототипа являются от- 50 сутствие возможности определения солености в реальном масштабе времени и недостаточная точность вычислений, obycловленная динамической погрешностью канала температуры . 55

Цель изобретения -- повышение скорости зондирования водной среды.

Поставленная цель достигается тем, что известный морской зондирующий гидрофизический комплекс, содержащий погружаемое устройство с установленными в нем датчиками температуры, давления и электропроводности, выходы которых через усилители подключены ко входу коммутатора, а вход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и зондовыл приемопередатчик соединен двунаправленной связью с бортовым устройством, включающим бортовой приемопередатчик и блок индикации, снабжен дополнительным датчиком температуры., установленным на корпусе погружаемого контейнера, дифференциально включенным совместно с основным датчиком к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к входу коммутатора, а в бортовое устройство введены оперативное запоминающее устройство, мультиплексор, вычислитель солености, три регистра, два сумматора, масштабный множитель, вычитающий элемент и блок управления. Причем входы первого и второго регистров и первые входы мультиплексора, первого сумматора, вычитающего элемента и вычислителя солености через оперативное запоминающее устройство соединеньi с выходом бортового приемопередатчика, выходы первого и второго регистров соединены с вторыми входами первого сумматора и вычитающего элемента соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами масштабного множителя, выход которого соединен ", псрвым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом мультиплексора, выход которого через третий регистр соединен с вторыми входами второго сумматора и вычислителя солености, выход которого соединен с входом блока индикации. Выходы блока управления соединены с синхранизирующими входами всех структурных элементов бортового устройства, Дополнительный датчик температуры установлен с возмо>кностью перемещения его по штоку относительно группы основных датчиков на величину требуемой градиентометрической базы в направлении зондирования.

Динамическая погрешность измерительного канала пропорциональна постоянной времени измерителя т, градиенту измеряемой величины grad Т и скорости зондирования {измерения} 7, иными словами д =tgrad t V.

Таким образом, в районе термоклина, где градиент температуры достигает 1 С/м, для снижения динамической погрешности

1755157 инерционного датчика необходимо уменьшать скорость зондирования (частоту опроса датчика), Устройство позволяет повысить скорость зондирования при заданной динамиче- 5 ской погрешности, используя измерения, градиента температуры для коррекции данных температурного поля.

Для определения градиента температуры необходимо наличие двух датчиков, рас.- 10 положенных на заданном расстоянии и дифференциально связанных друг с другом, Допустим эти датчики имеют разные постоянные времени переходного процесса, тогда .15

äi =ti grad t V; д2 = т2 grad t К

Динамическая погрешность измерения градиента вели. ин ы Т будет соответственно равна ддгад = А — д2 =. Я ad т V(т 1 — т 2 ), 25 т,е, меньше, чем динамическая погреш ность измерения с помощью этих датчиковпараметра Т. Например, если постоянная времени датчиков температуры отличается 30 . на 20%, тогда динамическая погрешность измерения градиента уменьшится в 5 раз, либо при заданной динамической погрешности возможно увеличенле скорости зондирования приблизительно в 5 раз, 35

Таким образом, устроиство позволяет производить вычисленле солености с большой точностью в реальном масштабе времени, увеличить скорость зондирования при проведении экспериментов, что равносильно увеличению частоты опроса первичных преобразователей, а значит позволяет получить больше данных о тонкой структуре гидрофизлческих полей океана, т.е, более точно представить картину профилей гидро- 45 физических параметров водной среды, На фиг, 1 дана структурная схема предлагаемого устройства для определения распределения солености воды; на фиг, 2— временные диаграммы функционирования 50 устройства; на фиг, 3 — структурная схема вычислителя солености; на фиг, 4 — временные диаграммы функционирования вычислителя солености; на фиг, 5 — электрическая схема блока умножения, 55

Сущность изобретения заключается в следующем. При вертикальном исследовании водной среды измеряются следующие параметры; температура Т, электропроводность Е, давление Р и градиент температуры

grad Т. Обычно определение солености выполняется по зависимостям, связывающим этот показатель с температурой, электропроводностыо и давлением, например, по полиномам типа

n n и

S = P Д, а;и, Т к Р (1)

1=-а J=O k=O, где aiji<.— коэффициент полинома.

В предлагаемом устройстве предварительно выполняется коррекция данных температуры с использованием измерений градиента температуры "по формуле; (grad Ti — 1+ grad TI)(Hi — Й вЂ” 1) ... 2 (2) где Ть1 — значение температуры на предыдущем шаге измерений;

Hi 1, Hi — показания датчика давления на предыдущем и текущем шагах -измерений соответственно;

grad Ти, grad Ti — показания градиентометра температуры на предыдущем и текущем шагах измерений соответственно;

Лд — расстояние в местах между двумя датчиками температуры, служащим для измерения grad Т, Вычисление солености осуществляется. с использованием откорректированного значения температуры, В структурную схему устройства для oriределения распределения солености воды по глубине (фиг, 1) входят погружаемое устройство 1, включающее датчик давления 2, датчик электропроводности 3, основной датчик температуры 4, выходы которых соединены со входами соответствующих измерительно-усилительных блоков 5-7, дополнительный датчик температуры S, включенный дифференциально с соответстВующим датчиком к входу дополнительного усилительно-измерительного блока 9, Выходы усилительно-измерительных блоков 5 — 7 и 9 соединены с входами аналогового многоканального коммутатора 10, выход котороro через аналого-цифровой преобразователь 11 и зондовый приемопередатчик

12 соединен двунаправленной связью с бортовым устройством 13, Бортовое устройство 13 включает бортовой приемопередатчик 14, выход которого через оперативное запоминающее устройство 15 подключен ко входам первого 16 и второго 17 регистров, к первым входам мультиплексора 18, первого сумматора 19, вычитающего,элемента 20 и вычислителя со1755157 лености 21. выходы первого 16 и второго 17 ретистров соединены с вторыми входами первого сумматора 19 и вычитающего элемента 20 соответственно, выходы" которых соответстВенно соединены с первым и вторым входами масштабного множителя 22, выход которого соединен с первым входом втор о го сумматора 23. Выход вто рого сумматора 23 соединен с вторым входом мультип"лек сора 18, вы ход"ко торого через третий регистр 24 соединен с вторыми входами вто рого сумматора 23 и вычислителя солености

21, выхоц которого соединен с входом блока индикации 25. Выходы блока управления 26 соединены с синхронизирующими входами бортового приемопередатчика 14, оперативного запоминающего устройства 15, регистров 16, 17 и 24, мультиплексора 18, сумматоров 19 и 23, вь!читающего элемента

20, вычислителя солености 21, множителя

22 и блока индикации 25.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы функционирования устройства, YGTро йство функ цио нирует след ующим образом, На вход коммутатора 10 поступают:"алоговые сигналы с основных (2 — 7) и градиентоме рического 8-9 кайалов. Аналоговые значения градиента получаются за

/ счет дифференциа льного в к лючения двух одинаковых датчиков. Коммутация напряжений на аналого-цифровОй преобразователь 11 происходит по синхроимпугьсам (фиг. 2а), поступающим из бортового устройства 13 через зондовый приемопередатчик

12. АЦП преобразует напряжение в соответствующий двоичный последовательный код, который передается зондовым приемопередатчиком в виде частотно-модулированных сигналов, Бортовой приемопередатчик 14 принимает информацию, преобразует ее в двоичный параллельный ко и одновременно передает в погружаемое устройство синхронизирующий сигнал от блока управления

26. Полученная информация по синхроимпульсам от блока управления 26 записывается в оперативное запоминающее устройство 15 (фиг. 2б), Вначале зондирования информация от датчиков давления 2, температуры 4 и градиентометра 4-8 наряду с записью в оперативное запоминающее устройство 15 записывается во второй 17, третий 24 и первый 16 регистры соответственно (фиг. 2в), при этом на управляющем входе мультиплексора 18 установлен сигнал низкого уровня (фиг. 2г). Таким образом, в регистрах сохраняются значения параметров, измеренных на предыдущбм шаге зондирования; в Р1 — grad Tl-1, в Р2 — Н, в Р3 — Т - .

Далее в каждом цикле опроса датчиков происходит корректировка значений температуры по формуле 2, для чего на первый сумматор 19, вычитающий элемент 20 и масштабный множитель 22 из блока управления

26 выдаются запускающие импульсы (фиг.

2д). Масштабный множитель умножителя 22 устанавливается равным 1/2 Лд. (Значение градиентометрической базы Лд выбирается из учета достаточного соотношения по10 лезный сигнал — шум и соответствует 0,1.— 1 м), Второй сумматор 23 завершает операци ю корректирования температуры (фиг.

2и), значение которой через мультиплексор

15 18, на управляющем входе которого устанавливается сигнал высокого уровня (фиг, 2ж); записывается в третий регистр 24 (фиг

2э) и поступает на второй вход вычислителя солености 21, текущее значение глубины Н1 и градиента температуры grad Т заносится соответственно во второй 17 и в первый 16

Оперативное запоминающее устройство может быть организовано на интегральных микросхемах К155РУ2, К565РУЗ, в качестве регистров можно использовать интегральные микросхемы К155ИР1, мультиплексора — К531КП2, К531КП11.

Функции блока индикации может выполнять, например, цифровой вольтметр или дисплей.

Для вычисления солености морской среды в процессе зондирования удобно воспользОваться степенным мнОГОчленом, разработанным по методике Брамсона M.À, 50

55 ретистры после выполнения операций первым сумматором 19 и вычитающим элементом 20 (фиг. 2к).

25 Через выхоцной мультиплексор вычислителя солености 21 выводятся KOpbl давления, температуры, электропроводности и солености на блок индикации 25, синхронизируемый блоком управления 26 (фиг. 2n), 30.Устройство позволяет также выводить на блок индикации 26 откорректированное значение температуры (фиг. 2м).

Пример pear изации устройства, В комплексе используются стандартные датчики

35 следующих типов; датчик температуры представляет собой термометр сопротивления, датчик давления мембранный тенэометрический, датчик электропроводности кондуктометрический или контактный, 40. B качестве усилителя могут быть использованы серийные интегральные операционные усилители, например, серий К140, К284, К544 и др., а в качестве коммутатора и

АЦП вЂ” интегральные схемы серий К543, 45 К590, К 572, К1108, 17551r7 если1+ j > 4, на блок индикации 25 через третий мультиплексор 32, на который из блока управления

26 поступают соответствующие управляющие сигналы (фиг. 4е);

15 Блок управления 26 может быть реализован на микропроцессорной базе. Рассмотрим наиболее простую реализацию, например, на базе однокристалльного микропроцессора К1816 (P B E035), П ринципи20 альная схема такого устройства приведена в техническом паспорте микросхемы

РВ Е035.

Кристалл микросхемы содержит практически все узлы, необходимые для автаном25 ной работы, за исключением ПЗУ команд, поэтому принципиальная схема устройс ва помимо основного микропроцессора включает микросхему внешнего ПЗУ К573РФ2 емкостью 2К восьмиразрядных слое и вось30 миразрядный буферный регистр обмена, Для управления предлагаемым зондирующим устройством требуется порядка 23 сигналов, Поэтому для выполнения поставленной задачи в микропроцессорный блок

35 управления добавляются 3 васьмиразрядных регистра К589ИР12, выходы которых соединяются с управляющими входами всех структурных элементов бортового устройства, Электрическая схема блока управления, 40 представленная на фиг, 5, содержит микропроцессор 33 (К18116РВЕ035), постоянное запоминающее устройств 34(К573РФ2) и четыре регистра 35 — 38 (К589ИР12). В соответствии с программой, записанной в ПЗУ, 45 блока управления на регистры 36 — 58 выда. ются серии управляющих импульсов, изображенные на фиг, 2 и 4, Блок управления может быть так>ке выполнен на программируемых логических . 50 матрицах КР588ВУ, Схема должна содержать счетчик, который считает такты работы зондирующего устройства и позволяет выбрать программу из логической матрицы, соответствующую режиму работы каждого

55 такта. При этом блок управления представляет собой простой автомат с памятью.

Кроме того, функции блоков 15-24, 26 могут быть выполнены микрайроцессорным вычислителем на базе МП комплекта КР588 (комплект "Дипломат" ), Схема процессора и а11 а12 д1О,, и т.д. а10 а11

Процесс вычисления солености начинается с занесения в регистр накапливающего сумматора 29 кода коэффициента, для чего на ПЗУ 27 выдается адрес этого коэффициента; на управляющий вход множителя 28 подается сигнал низкого уровня, а на уйравляющий вход накапливающего сумматора

29 подается импульс управления (фиг. 4а).

Затем на ОЗУ 15 из блока управления выдается адрес параметров Е, электрапроводность (фиг. 4б), а на ПЗУ 27 — адрес следующего коэффициента, Через первый

30 и второй 31 мультиплексоры данные йоступают HB входные шины множительного устройства 28, а на управляющий вход— сигнал высокого уровня (фиг, 4в). Результат поступает на сумматор 29 (фиг. 4г), 5- a(j T J .alj=o, i=î 1— = о

Структурная схема вычисления солености, реализующая данный алгоритм, приведена на фиг, 3; на фиг, 4 приведены временные диаграммы функционирования данного структурного блока.

В ПЗУ 27 (см. фиг. 3) занесены коды коэффициентов полинома для вычисления солености S в такой последовательности; аоо, ао1, ао2 аоз ао1 ао1 ао2 аоз

Когда выполнен ввод информации от всех датчиков и коды данных с этих датчиков занесены в ОЗУ 15, блок управления 26 выдает серию импульсов для управления работой вычислителя 21 (см, фиг. 2н).

В качестве множительного устройства

28 можно использовать микросхему

К155ИПЗ, выход которой соединен с регистрам К155ИР1, используемым для хранения результата, Если на управляющие входы

S1 — S3 этой микросхемы постоянно подая сигнал низкого уровня, тогда изменение сигнала на входе SO позволит выполнять две операции: передачу первого операнда без изменений на выход микросхемы и перемножение двух величин, Накапливающий сумматор 29 представляет собой сумматор типа К155ИМ, выход которого соединен с входом регистра, например, К155ИР1, зались в который осуществляется ат блока управления 26.

На следующем шаге из ПЗУ 27 извлека ется следующий коэффициент. Для получения степеней выше первой, например, Е мультиплексор М2 31 переключается на прием информации по второму входу (фиг.

4д), т.е. на второй вход множителя 28 поступает результат предыдущей. операции, а на первом входе установлено то же значение, например, Е, После завершения расчетов полученные и исходные данные выдаются

1755157

11 инструкция к эксплуатации даны в технической документации МП комплекта.

Таким образом; вычисление параметров S, реализуемое предлагаемым устройством, позволяет повысить скорость

: зондирования, уменьшить динамическую погрешность измерительных каналов, а зна чит, повысить точность onðåäåëåíè÷ солености, отражать результаты в реальном

-масштабе времени и получить большее число данных, Кроме того, предлагаемое устрайствО мажет быть использована при вычислении такйх параметров водной среды, ка К, плотность р и показатель и реломления и. Дпя чего достаточно ввести требуемые коэффициенты полинамов в по стоянное запоминающее устройство вычислителя солености 21 и соответствующим образом откорректировать алгоритм, записанный в ПЗУ блока управления 26, Формула изобретения

1. Устройство для определейия распределения солености воды по глубине, содер>кап1ее погружаемое устройство с уста-,двпенными на нем коммутатором, аналого-цифровым преобразователем, приемопередатчиком, усилителями, датчиками, .температуры, давления и злектрапровадности, выходы которь!х через усилители подключены к входу коммутатора, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь к приемопередатчику, а также бортовое устройства, включающее борювай приемопередатчик и блок индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения скорости зондирования, в погружаемае устройство введен дапапнитепьныЙ датчик температуры, дифференциально вклокоченный совместно с другим датчиком к входу дополнительного усилителя, выход которого подключен к входу коммутатора, а

5 В бортОВае устройства ввеДены оперативное запоминающее устройство, три регистра, мультиплексор, вычислитель солености, два сумматора, вычита ащий злемент, масштабный множитель и блок управления, при10 чем входы первого и второго регистров и первые входы мультиплексора, первого сумматора, вычитающега элемента и вычислителя солености через оперативное запоминающее устройства соединены с вы15 кодом бортового приемопередатчика, выходы nepeoro и второго регистров соединены с вторыми входами nepBoro сумматора и вычитающего элемента соответственна, выходы которых соединены с первым и вторым

20 входами масштабного множителя соответственно, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом мультиплексора, выход которого через третий регистр саеди25 нен с вторым входом второго сумматора и вхОдам вьгчислителя солености, ВыхОд кОтОрого соединен с входом блока индикации, выходы блока управления соединены с синхронизйрующими входами всех структур30 ных зпементов бортового устройства.

2, Устрайсгва па и. 1, а т л и ч а ю щ е ес я тем, что допк:нительный датчик температуры установлен с возмо>кнастью перемещения его па штоку относительно группы

35 основных датчиков на величину требуемой градиентаметрической базы в направлении зондирования, 1755157

I. 1755157

$8nJZuz РУ

1755157

Составитель Е.Савкова

Техред M,Мсргентал Корректор ЛЛукач

Редактор M.Ïîâõýí

Производственно-издательский комбинат "Патент". r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2888 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-З5, Раушская наб., 4/5