КОНФОРМНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/06 G01K7/02 G01L9/02 

Изобретение относится к области исследования гидрофизических параметров морской воды и может быть использовано в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых на подвижных носителях, для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, а также косвенных измерений таких параметров, как соленость морской воды, скорость распространения звука в морской воде, плотность морской воды и т.д.

Практика современных океанологических исследований показывает, что при решении ряда задач необходимы прецизионные измерения и оперативная обработка различной гидрофизической информации в реальном масштабе времени на борту носителя аппаратуры при длительной эксплуатации. Основной целью подобных исследований является построение информационных карт гидрологических полей, изучение их временной и пространственной изменчивости, тонкой структуры, выявление аномальных гидрофизических зон и др.

Эффективность океанологических исследований определяется техническими характеристиками используемой измерительной техники - диапазоном измерений гидрофизических параметров, чувствительностью, погрешностью измерений, а также надежностью измерительных средств и состоянием их метрологического обеспечения.

Известны различные системы, предназначенные для анализа состояния морской среды [1-10], содержащие преобразователи гидрохимико-физических параметров водной среды и регистрирующую аппаратуру. Аппаратура обеспечивает сбор и обработку данных с преобразователей гидрофизических параметров и регистрацию результатов обработки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому преобразователю гидрофизических параметров морской воды и выбранным в качестве прототипа является преобразователь гидрофизических параметров водной среды, входящий в состав системы измерительной химико-физических параметров водной среды и описанный в описании полезной модели [11]. Преобразователь-прототип содержит контактный преобразователь удельной электрической проводимости водной среды, преобразователь температуры, преобразователь водородного показателя, преобразователь значения окислительно-восстановительного потенциала, электрод сравнения, преобразователь массовой концентрации растворенного кислорода, преобразователь глубины, автономный двуполярный источник напряжения питания, запитывающий повторители напряжения, входящие в состав преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала и электрода сравнения, и аналого-цифровой преобразователь с контроллером интерфейса RS-485 на выходе, при этом первичные измерительные преобразователи контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения, общий для преобразователя водородного показателя и преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, установлены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды, первичный измерительный преобразователь (ПИП) контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды имеет форму обтекаемого тела вращения, расположен соосно корпусу преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды и содержит пару токовых электродов, один из которых имеет круглую форму и расположен в носовой части ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, а другой образован корпусом ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, и пару кольцевых потенциальных электродов, расположенных между токовыми электродами соосно этим электродам и изолированных один от другого и от токовых электродов, ПИП преобразователя температуры выполнен из тонкой изолированной медной проволоки, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, один из которых образован выступом в корпусе ПИП преобразователя температуры, а другой герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом ПИП преобразователя температуры, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания жидкости внутри первого полого тонкостенного цилиндра, ПИП преобразователя водородного показателя выполнен в виде электрода для определения водородного показателя, к которому подключен повторитель напряжения электрода для определения водородного показателя, ПИП преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала выполнен в виде платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, к которому подключен повторитель напряжения платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, ПИП преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода выполнен в виде двухэлектродной ячейки для определения массовой концентрации растворенного кислорода, к выходу которой подключен преобразователь ток-напряжение, ПИП преобразователя глубины выполнен в виде тензометрического мостового преобразователя давления, первичные измерительные преобразователи преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения расположены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды вокруг ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, выходы контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, электрода сравнения, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, вход-выход контроллера интерфейса RS-485 соединен последовательным каналом связи с соответствующим входом-выходом электронно-вычислительной машины, которая выполнена с возможностью обработки данных, получаемых от преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, визуализации обработанных результатов измерения, архивирования и документирования измерительной информации.

Недостатком известного преобразователя параметров водной среды являются ограниченные возможности применения для измерения гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях из-за недостаточной точности измерения параметров вследствие искажений, вносимых возмущенностью потока жидкости вблизи преобразователя.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности измерений гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях путем исключения возмущения потока морской воды вблизи преобразователя.

Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь гидрофизических параметров морской воды, содержащий, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя УЭП морской воды, преобразователь температуры морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды, преобразователь давления, при этом первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды содержит тонкую изолированную медную проволоку, расположенную между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, первый полый тонкостенный цилиндр образован выступом в корпусе первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, второй полый тонкостенный цилиндр герметично скреплен с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра, отличается тем, что он содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке первичный измерительный преобразователь бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды и диэлектрический корпус первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды, выполненный с отверстием для протекания морской воды, установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через отверстие в диэлектрическом корпусе первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и наклонные отверстия в корпусе первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к первичному измерительному преобразователю давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок электронных модулей, герметичный отсек имеет герметичный кабельный ввод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены

на фиг.1 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид);

на фиг.2 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид со снятым кожухом);

на фиг.3 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (вид сбоку в поперечном сечении);

на фиг.4 - схема бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

на фиг.5 - конструкция первичного измерительного преобразователя (ПИП) преобразователя температуры.

На чертежах обозначено:

1 - измерительный блок;

2 - ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

3 - ПИП преобразователя температуры морской воды;

4 - ПИП давления;

5 - блок электронных модулей;

6 - кожух;

7 - отверстие для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

8 - отверстие для установки ПИП преобразователя температуры морской воды;

9 - отверстие для отвода морской воды;

10 - отверстие, обеспечивающее доступ воды в ПИП давления;

11 - герметичный кабельный ввод;

12 - питающий трансформатор;

13 - измерительный трансформатор;

14 - диэлектрический корпус бесконтактного преобразователя УЭП;

15 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12;

16 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13;

17 - объемный жидкостной виток связи;

18 - источник переменного напряжения;

19 - усилитель;

20 - детектор;

21 - медная проволока,

22 - первый тонкостенный цилиндр,

23 - второй тонкостенный цилиндр,

24 - корпус ПИП преобразователя температуры,

25 - наклонные отверстия в корпусе ПИП преобразователя температуры,

26, 27 - сварные швы,

28, 29 - контакты ПИП преобразователя температуры,

30 - крышка герметичных отсеков.

В обтекаемом кожухе 6 для каждого измерительного блока выполнены отверстия 7 и 8 для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП преобразователя температуры морской воды соответственно, а также отверстия 9 для отвода морской воды. Герметичные отсеки с блоками 5 электронных модулей закрыты крышкой 30. В крышке 30 выполнены отверстия, в которые герметично устанавливаются ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды таким образом, что их выводы находятся в герметичных отсеках.

Бесконтактный преобразователь УЭП морской воды содержит питающий и измерительный трансформаторы 12 и 13, размещенные в диэлектрическом корпусе 14, источник 18 переменного напряжения, подключенный к обмотке 15, расположенной на тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12, последовательно соединенные усилитель 19, вход которого подключен к обмотке 16, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13, и детектор 20, выход которого является выходом бесконтактного преобразователя УЭП. Объемный виток 17 связи на фиг.4 показан условно ограниченным. В действительности границы объема морской воды, участвующие в его образовании, неопределены. Источник 18 переменного напряжения, усилитель 19 и детектор 20 входят в состав блока 5 электронных модулей и расположены в герметичных отсеках измерительных блоков.

ПИП 3 преобразователя температуры (см. фиг.5) содержит тонкую изолированную медную проволоку 21, расположенную между двумя полыми тонкостенными цилиндрами 22 и 23, один из которых (первый цилиндр 22) образован выступом в корпусе ПИП 3, а другой (второй цилиндр 23) герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром 22 и корпусом 24 ПИП 3, в котором выполнены наклонные отверстия 25 для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра 22. Герметичность соединения тонкостенных цилиндров 22 и 23 обеспечивается сварными швами 26 и 27. Сигнал ПИП 3 выдается на контакты 28 и 29.

ПИП 4 преобразователя давления может быть выполнен в виде тензометрического преобразователя давления.

Блок 5 электронных модулей представляет собой набор печатных плат преимущественно круглой формы, на которых реализованы источник 18 переменного напряжения, усилитель 19, детектор 20, а также измерительные усилители для ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления, выходы которых и выход детектора 20 подключены к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого соединен с устройством передачи данных, выход которого является выходом ПГФП морской воды. При этом устройство передачи данных представляет собой контроллер интерфейса передачи данных, например интерфейса RS-232, RS-485, MIL-STD-1553 и т.п.

Блок 5 электронных модулей также может содержать устройство обработки данных. В этом случае выход АЦП подключен в входу устройства обработки, а выходом ПГФП морской воды является выход устройства обработки.

Устройство обработки может быть выполнено с возможностью хранения собранных данных, а также с возможностью вычисления солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды и т.п.

В качестве устройства передачи данных может использоваться микроконтроллер. АЦП может быть встроен в микроконтроллер. Микроконтроллер также может выполнять функции устройства обработки данных и использоваться для определения расчетным путем солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды.

Преобразователь гидрофизических параметров морской воды работает следующим образом. Преобразователь перемещается в морской воде (например, установлен на подвижном носителе). Морская вода попадает во входные отверстия ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и проходит соответственно через ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды. Также вода проникает через отверстия 10, обеспечивающие доступ воды к ПИП 4 давления, и создает на него гидростатическое давление.

Бесконтактный преобразователь УЭП работает следующим образом. Под действием переменного напряжения, в частности частотой 16 кГц в объемном жидкостном витке 17 связи, охватывающем тороидальные сердечники питающего и измерительного трансформаторов 12 и 13, возбуждается ЭДС и протекает ток, пропорциональный измеряемой УЭП морской воды. Этот ток приводит к появлению тока в обмотке 16 измерительного трансформатора 13, работающего в режиме трансформатора тока. Выходной токовый сигнал измерительного трансформатора 13 усиливается, детектируется и поступает на выход преобразователя УЭП в виде напряжения, пропорционального измеряемой УЭП.

Сигналы ПИП 2 бесконтактных преобразователей УЭП морской воды, ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления поступают в соответствующие блоки 5 электронных модулей, где усиливаются и преобразуются в цифровую форму. Полученные цифровые данные передаются по каналу связи на выход ПГФП морской воды. Кроме этого, блоки 5 электронных модулей могут осуществлять определение расчетным путем солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды.

В результате использования изобретения за счет снижения возмущения потока воды повышена точность измерения гидрофизических параметров морской воды, а также точность определения гидрофизических параметров морской воды, получаемых расчетным путем.

Таким образом, представленные чертежи и описание позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить ПГФП морской воды промышленным способом и использовать его в составе специализированных комплексов или систем для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

Литература

1. В.П.Буторин и др. Аппаратура сбора и обработки информации для автоматических контрольно-замерных станций систем контроля окружающей среды типа "АНКОС" / Сб. докл. Семинар Автоматизация контроля загрязнения окружающей Среды. - М.: МДНТП. - 1988.

2. Система мониторинга качества воды / Нихон мусэн тихо // GRE Rev. - 1988, №26. - С.14-20.

3. Система для мониторинга приповерхностных вод / Fukuchi Mitsuo, Hottori Hitoshi. - Proc. NIPR Symp.Polar Biol. - 1987, 1. - С.47-55.

4. Burr P. An instrumented underwater towed vehicle. Oceanology internationale 69. Conf. technical sessions, day 1. - Brighton. - 1969 (Англия).

5. Analysis of Exploration of Mining Technology for Manganese Nodyles / Seabed Minerals Sessions. - Vol.2. - United Ocean Economics and Technology Branch (Published in cooperation with the United Nations by Graham & Trotman Ltd.). - 1984. - P.20, fig.3.

6. Патент РФ №2030747 на изобретение, МПК G01N 33/18, 1990 г.

7. Свидет. РФ №301 на полезную модель, МПК В63В 38/00, 1993 г.

8. Свидет. РФ №2797 на полезную модель, МПК В63В 35/00, 1996 г.

9. Свидет. РФ №3041 на полезную модель, МПК G01N 27/00, 1996 г.

10. Авт. свидет. СССР №1029063 на изобретение, МПК G01N 27/02, 1981 г.

11. Свидет. РФ №29376 на полезную модель, МПК G01N 27/00, 2003 г. (прототип).

Преобразователь гидрофизических параметров морской воды содержит, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя УЭП морской воды, преобразователь температуры морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды, преобразователь давления. Первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды содержит тонкую изолированную медную проволоку, расположенную между двумя полыми тонкостенными цилиндрами. Первый полый тонкостенный цилиндр образован выступом в корпусе первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды. Второй полый тонкостенный цилиндр герметично скреплен с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра. Преобразователь содержит кожух, наружная поверхность кожуха со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы. В каждом измерительном блоке первичный измерительный преобразователь бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках. Первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды и диэлектрический корпус первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды, выполненный с отверстием для протекания морской воды, установлены в отверстиях, выполненных в кожухе. Оси отверстий перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды. Наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха. Каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок электронных модулей, герметичный отсек имеет герметичный кабельный ввод. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях путем исключения возмущения потока морской воды вблизи преобразователя. 5 ил.

Преобразователь гидрофизических параметров морской воды, содержащий, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя УЭП морской воды, преобразователь температуры морской воды, включающий в себя первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды, преобразователь давления, при этом первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды содержит тонкую изолированную медную проволоку, расположенную между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, первый полый тонкостенный цилиндр образован выступом в корпусе первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, второй полый тонкостенный цилиндр герметично скреплен с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра, отличающийся тем, что он содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке первичный измерительный преобразователь бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, первичный измерительный преобразователь преобразователя температуры морской воды и диэлектрический корпус первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды, выполненный с отверстием для протекания морской воды, установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через отверстие в диэлектрическом корпусе первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и наклонные отверстия в корпусе первичного измерительного преобразователя преобразователя температуры морской воды, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к первичному измерительному преобразователю давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса первичного измерительного преобразователя бесконтактного преобразователя УЭП морской воды со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок электронных модулей, герметичный отсек имеет герметичный кабельный ввод.