Морской зондирующий геофизический комплекс

 

а

N.Ä. Барков, С.В. Исаев, В.И. Крылович, Г.А. 3 омако, Ю.р. Оршанский, А.И. Останин, В.К. Попов, А.Д Солодухин, С.И. Степанов и P.È. Фурунжиев !

E

Отдел физики неразрушающего контроля АН Бело усской :.CGP и Институт тепло- и массообмена им. А.В. JfbtKoBB (72) Авторы изобретения (7I3 Заявители (54) МОРСКОЙ ЗОНДИРУЮЩИЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ

КОМПЛЕКС

Изобретение относится к измерительной технике, а более конктерно к автоматизированным зондирующим гндрофиэическим аппаратам, предназначенным для измерения параметров морской воды.

Известен комплекс "ASWEPS", содержащий подводную измерительную аппаратуру, устройства для спуска и подъема, судовую регистрирующую и аналиlO эирующую аппаратуру. Комплекс обеспечивает измерение следующих параметров: температуры от -2 до +40 С с погрешностью +0,01 С; давления от 0 до

105 кг/см с погрешностью 0,25Х соленость от 32,5 до 37,5Х с погрешностью 0,02Х; скорость звука от 1372 до 1674 м/с с погрешностью 0,03 x)c(l).

Иаиболее близким к предлагаемому является гидрофизический зондирующий комплекс для измерения параметров . морской воды, который состоит из погружаемого и бортового устройства, соединенных трос-кабелем. "Исток- н обеспечивает одновременную регистрацию следующих параметров: температуры от -2 до 35 С с погрешноствю

10,03 С и чувствительностью 0,011

+0,005 С 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.ния от О до 200 кгс/см с погрешностью 0 5 кгс/см и чувствительностью

Ф

0,1+0,05 кгс/см . Время измерения всех параметров 1,6 с.

Внутри опускаемого герметичного контейнера размещены измерительные мосты, преобразователь аналоговых значений температуры, электропроводности и давления в пропорциональный двоичный код, устройство управления и синхронизации, блок связи с бортовым устройством и блок питания. Бортовая аппаратура содержит блок связи с погрул аемым устройством, блок синхронизации приемного регистратора, четыре регистра памяти и преобраэо434

868 Т

15 ватель кодовых величин измеряемых параметров в аналоговые сигналы, блок связи с ЭВИ и регистрирующим устройствами Г23 .

Укаэанные выше гидрофизические комплексы производят измерение усредненных характеристик среды, не изменяя их пульсационных характеристик.

Для проведения современных исследований морей и океанов уже недостаточно знать средние значения измеряемых величин.

Большое значение в формировании и эволюции мелко- и крупномасштабных океанических структур, прогнозирова-, нии и своевременном обнаружении таких грозных явлений природы,, как тайфун, цунами играют пульсационные характе ристики морской среды (плотности, температуры, солености и т.д.). Большинство же существующих океанографических приборов не обладают достаточным быстродействием p: чувствитель— ностью для регистрации быстрых изменений физических параметров.

Цель изобретения — создание морского зондирующего комплекса, обеспечивающего высокочувствительное и малоинерционное измерение пульсаций скорости акустических копебаний b V где температуры д t, оптического показателя преломления г и, с последующим определением пульсаций плотности D P солености Л С и адиабатической сжимаемости Лф д.

Поставленная цель достигается тем, что известный морской зондирующий гидрофизический комплекс, содержащий погружаемый контейнер с установленньтмн на нем датчиком . средненной температуры и дат тиком давлекия, вь— ходы которых через усилители подключены к одному из входов многоканаль-.. ного коммутатора, ко второму входу которого подключен блок синхронизации, причем выход многоканального коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и блок связи соединен с бортовым устройством, включающим последовательно соединенные блок входного преобразователя., коммутатор, ко второму входу которого подключен блок синхронизации, блок регистров памяти, на выходе которого подключены цифроаналоговый преобразователь с регистратором и параллельно ему цифровое регистрирующее устройство, снабжен датчиком ттульсаций температуры да тч|тком путтьсации ст(орости

Т0

45, 50

55 распространения акустических колебаний и датчиком пульсаций показателя преломления, которые вынесены в среду из погружаемого контейиер» и установлены на его корпусе и через усилители попсоедиттены к многоканальному коммутатору, а в бортовом устройстве между блоком регистров памяти и входами цифроаналогового преобразователя и цифрового регистрирующего устройства включен блок преобразования измеряемых пульсациоиных параметров в пульсации плотности, сжимаемости и солености морской воды (электронно-цифровой блок).

Датчик пульсаций скорости распространения акустических колебаний содержит излучатель и приемник непрерывных акустических колебаний, установленные на корпусе погружаемого контейнера, а также умножитель разности частот принимаемых и излучаемых акустических колебаний, на выходе которого подключен фазовый детектор, размещенные в погружаемом контейнере.

Аналоговая информация об измеряемых величинах преобразуется в цифровой код и по трос-кабелю передается на преобразователь кода бортового устройства. Через, коммутатор, разделяющий информацию по каналам, последовательный двоичный код подается на регистры памяти, откуда уже в параллельном виде поступает на электронно-цифровой блок. В предлагаемом устройстве введение электронно-цифрового блока служит для переработки входной информации о пульсациях скорости акустических колебаний, пульсациях температуры в выхопн ла информацию о пульсациях плотности, соленсс= ти, адиабатической сжимаемости. Далее инфориацтия подается на цифровые и аналоговые регистрирующие устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого морского зондирующего гидрофизического комплекса; на фиг.2-4 принципиальттьте схемы ц тчиков пульсаций скорости ультразвука, пульсаций температуры и пульсаций оптического показателя преломления, соответственно.

Структурная схема содержит датчик

1 средней температуры, датчик 2 пульсаций температуры, датчик 3 пульсаций скорости акустических колебаний, датчик 4 пульсаций иоказателя ире.ТоМ ления, датчик 5 давления и < оотяf тствующие датчикам усилительно-измерительные блоки Ь-!О, многоканальный коммутатор !1, аналого-цифровой преобразователь 12, блок 13 синхронизации, блок 14 питания, блок IS связи с бортовым устройством, линию 16 связи, блок 17 выходного преобразования, коммутатор !8, блок 19 регистров памяти, электронно-цифровой блок 20, блок 21 цифровой регистрации, цифроаналоговый преобразователь 22, блок 2 аналоговый оегистоации, блок 24 синхронизации, блок 25 питания.

Аналоговые сигналы с датчиков

1-5 параметров морской среды, усиленные и преобразованные соответст- . вующими усилительно-измерительными блоками 6 — 10, поступают на многоканальный аналоговый коммутатор 11.

Коммутация напряжений на аналогоцифровой преобразователь 12 происходит по синхроимпульсам, поступающим с блока 13 синхронизации. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговые величины в соответствующий двоичный последовательный код. Цифровой код в блоке

15 связи с бортовым устройством;контролируется по частоте и передается по трос-кабелю 16 на блок 17 входного преобразования бортового устройства, который демодулирует поступающий двоичный код и подает

его на коммутатор 18 бортового устройства, Работа коммутатора 18 синхронизируется блоком 24 синхвонизации с работой блоков погружаемого устройства. Далее информация заносится в регистры 19 памяти, откуда в параллельном двоичном коде пода,ется на электронно-цифровой блок 20, где информация о плотности, солености и сжимаемости преобразуется в функциональную зависимость.

В дальнейшем информация в виде параллельного, кода поступает на блок 21 цифровой регистрации или через цифроаналоговый преобразователь

22 записывается на блоке 23 аналоговой регистрации. Питание бортового устройства осуществляется через блок 25 питания.

В качестве датчика пульсаций температуры (фиг.2) используется дифференциальная гипертермопара 26, изготовленная иэ 15 хромелькопелевых микротермопар с диаметром проводов

0 05 мм, Чувствительность такого датчика составляет 0,01 С, а постоян868434 б. ная времени — 0,02 С..Для компенсации постоянной составляющей температуры часть спаев термопары помещается в металлическую гильзу 27 с большой тепловой инерцией. Таким образом, датчик пульсаций температуры реагирует на изменение температуры во времени с периодом менее 10 мин.

Колебания температуры с большим периодом регистрируются датчиком 2

1фиг.l) усредненной температуры, в качестве которого используется термистор, помещенный в металлическую гильзу с тепловой инерцией, близкой к тепловой инерции гильзы 27.

Датчик пульсаций скорости распространения акустических колебаний морской среды показан на фиг.3. Для этой цели используется регистрация нестационарных частотнофЛвовых сдвигов акустических колебаний, возникающих за счет пространственно-временных изменений свойств морской среды, которые влияют на скорость распространения акустических волн. Применение указанных методов позволяет измерять малые приращения скорости акустических колебаний.

В качестве излучателя 28 и приемника 29 акустических волн используются пьезокерамические преобразователи, жестко установленные в открытом металлическом коопчсе вынесенном из погr.ãæeííîãî контейнера в морскую среду. Электронная часть

35 состоит иэ задающего кварцованчого генератора 30 гармонических колебаний, фазового усилителя 31 излучаемых и принимаемых акустических сигналов и фазового детектора 32, Укаэан40 ный датчик измеряет флуктуации скорости распространения акустических волн не хуже + 1 мм/с при постоянной времени датчика 10Г с.

Датчик пульсаций показателя преломления морской среды изображен на фиг.4 ° Принцип регистрации состоит в измерении отклонения светового луча, прошедШего через исследуемую среду на базе 1000 мм, которое возни" кает в результате поперечных градиентов показателя преломления. В качестве источника 33 света используется лампа накаливания с набором светофильтров и коллиматором 34 щелевого

55 типа или оптический квантовый генератор. Луч света от источника с коллимирующей системой проходит че1реэ. полупрозрачное зеркало 35, про7 86 зрачное окно 36, укрепленное в стенке контейнера 37 и попадает на зеркало 38, вынесенное из контейнера в морскую среду. Отражаясь от зеркала

38, луч света через окно 36 попадает на зеркало 35 и затем через цилиндрическую линзу 39 на позиционно-чувствительный фоторезистор 40, который используется в качестве чувствительного элемента. Флуктуация показателя преломления такой системой иэмеряют-5. ся с разрешением +10 измеряемой величины и постоянной времени светоприемника 1О с.

-5

Рассмотрим, как из данных, получаемых от датчиков пульсаций скорости акустических колебаний, пульсаций температуры и пульсаций показателя преломления получается информация о пульсациях плотности ду, солености д С, адиабатической сжимаемости в 9 . Считаем P=con st, т. е. dP=O, что означает постоянст.:о глубины погружения, Известно, что скорость акустических колебаний выражается

8434 Я

С другОРГ стороны так как Р=cons t, dP=0, имеем дР » с1с q8) д

5 Если диапазон измерения температуры

t и солености С небольшой, что имеет место в реальных условиях, то можно принять

У=.р,(» 1с1 )(-»d odc), (9) где Ж вЂ” коэффициент объемно1 о расширения; коэффициент изменения плотности за счет солености;

t5

Я вЂ” среднее значение плотности, соответствуюшее средним в процессе измерения температуре и солености.

Учитывая, что Р =Я о +o(y, вместо (9) получаем в линейном приближении

3у=у,4., Н+9. с o o (î) Решая уравнение 10 относительно д dc с использованием соотношения (7), откуда

Р = — — О

1 " Рр

Формула Лорентц-Лорентца для показателя преломления (ô )=г(Л)1о (,и +1)

1 где n — показ атель преломления среды;

r 7 — удельная преломляющая способность среды; длина используемой световой волны;

0 T CIOp,G

n 1-. q

r (7) = (1-) $ in -» ) Для пульсаций скорости ультразвука и показателя преломления, продифференцировап (1) и (3), получаем

Р Ф 1Ъ.Р (fV-- — (P с1 +pd P )=-Ч вЂ”, — - -с(P (Я) (и - )г — c1p (ь) и

Разрешая выражение (б) относительно пульсаций плотности, с учетом (4) получаем bnP Ят1 ф=-- — — — — — — - (т (i -1) (о +11 получаем

ñ c1 ï

Д - — Д+ (11)

cled о с („ ) { -» ) *О

Выражение (11) дает связь между и:новенными, отклонениями С, t3 H t ov их средних значений, Эта формула используется прк определении пульсационных характеристик солености морской воды. Используя соотношения (5) и (7), кмеем

d fb =- — 1с(11+1 dp (" Ц

Sn (п )1n - a)

Из приведенных выкладок видно, что измеряя пульсации температуры, пульсации скорости акустических колебаний, пульсации показателя преломления, а также зная величины V,, n Ф, Й,, 1ьд из выражений (7), (11)

45 и (12) почучаем пульсационные значения плотности, солености, сжкмаемости, При этом нетрудно заметить, что для обеспечения высокой точности при расчете указанных пульсационньгх

5О характеристик абсолютные значения величин, входящие в формулы (7), (11) и {12) достаточно знать приближенно.

Действительно, из (7) легко получить

dg Ьп о (1.

g (n< a) (н + 2.1

Если в последнем выражении показа ель преломления задать с точное т ьк> л< второго знака после занятr й, пппркмер, взяв и, =-1,33 и п1=коэффициент

t) tl с1 (п ---1 ) 1, и М получит значения а „=2,75; т.е.

1,34, то а2=2,64, d (a.,т5 — 2,64-)с(п («)

Коэффициент пропорциональности изменился всего лишь на 47. Отсюда ясно, что для определения Ь по измеренному значению dn< в формуле (6 в качестве и достаточно взять среднее значение показателя преломления для морской воды или воспользоваться литературными данными для условий близких к реализованным в эксперименте. Аналогично с расчетом других пульсационных характеристик, Таким образом, отпадает необходимость в предлагаемом гидрофизическом комплексе устанавливать, датчики для определения абсолютных значений указанных параметров. Далее эта информация наряду с измеренными значениями пульсационных параметров преобразуется электронно--цифровым блоком в зависимость U =Г ф,с(о, 1,1д) в виде параллельного двоичного кода и поступает на регистрирующие блоки или ЭВМ.

Предлагаемый морской гидрофизический комплекс дает возможность с высокой чувствительностью и малой инерционностью получать информацию о пульсационнъгх фоновых характеристиках морской среды, которые играют важную роль при прогнозировании мощнъ>х океанических возмущений {ураганы,,:зйфунъ1, цунами и др.). Это имеет важное народно-хозяйственное значение. В частности, при использовании современных систем обнаружения цунами, которые обладают недостаточной надежностью, значительный процент объявляемых тревог оказываются ложными. Одна ложная тревога наносит материальный ущерб народному хозяйству до нескольких миллионов рублей.

Имеют место случаи пропуска цунами без объявления тревоги.

Использование предлагаемого комплекса даст возможность создать системы более надежного прогнозирования цунами и исключения ложных тревог. Известно также, что, с уровнем пульсационного фона морской среды непосредственно связано наличие планктона и соответственно сосредото6R 34 !О чепце косяков рыб и других морских животных. Таким образом, по уровню пульсационных характеристик, которые могут быть зарегистрированы предлагаемым комплексом, можно судить о местах локализации скопления рыбы и повысить произвапнтельностъ ее промысла. формула изобретения

I. Морской зондирующий гидрофизический комплекс, rîäåðæàùèé погружаемый контейнер с установленнъми на нем датчиком усредненной температуры и датчиком давления, выходы которых через усилители подключенъ1 к од15 наму из входов многоканального коммутатора, ко второму входу которого подключен блок синхронизации, причем выход многоканального коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и блок связи соединен с бортовым устройством, включающим последовательно соединешпь е блок входного преобразователя, коммутатор, ко второму входу которого подключен блок синхрониэации1 блок регистров памяти, на выходе которого подключены цифроаналоговый т реобразователь с регистратором и параллельно ему цифровое регистрируюшее устройство, о т л и30 ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности определения пульсаций плотности, снижаемости и солености морской воды путем одновременного измерения пульсаций температуры, скорости распространения акустических колебаний и оптического показателя преломления в каждой точке исследований с последующей обработкой полученных измерений, он снаб40 жен датчиком пульсаций температуры, датчиком пульсаций скорости распространения акустических колебаний и датчиком пульсаций оптического показателя преломления с соответствующими

45 усилителями, которые подсоединены к многоканальному коммутатору, а в бортовом устройстве между блоком регистров памяти и входами цифроаналогового преобразователя и цифрового регистрирующего устройства включен блок преобразования изменяемых пульсационных параметров в пульсации плоскости, сжимаемости и солености морской воды.

2. Комплекс по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что датчик пульсаций скорости распространения акустических колебаний содержит умножитель частоты применяемых и излучаемых акустических

868434 колебаний, к выходу которого подклюяен детектор.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Маклаков А.Ф. н др. Океаногрлфические приборы. Л., Гидр<:метеоиздат, 1975, с.141.

2. Там ке, с.15! (прототиг ), Составитель В. Зверев

Редактор Е, Лушникова Техред Л.Пекарь Корректор Г. Решетник

Заказ 8306/55 Тираж 910 Подписное

ВНИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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