СТРУННЫЙ ВОЛНОГРАФ Российский патент 2018 года по МПК G01C13/00 G01F23/00 

Изобретение относится к области океанографических измерений и может быть использовано для исследования процесса волнения на морях, озерах и водохранилищах в прибрежной зоне.

Известные струнные волнографы, содержащие резистивные датчики (струны), отличаются измерительной (приемной) частью. В зависимости от реализации приемная часть содержит, например: измерительный мост переменного тока, регистратор с усилителем реверсивного двигателя, фазовый детектор [Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. - Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976]; выпрямитель, генератор питания резистивного датчика, регистратор [Авторское свидетельство СССР №271829, МКИ G01C 13/00. Волнограф. Б.А. Максимов, В.М. Фетисов. - Заявлено 18.09.1968. Опубл. 26.05.1970].

К недостаткам известных струнных волнографов относятся: слабая помехозащищенность, нелинейность измерительной характеристики прибора, поляризация резистивного датчика, возникающая при использовании генераторов переменного (прямоугольного) напряжения, что приводит к искажению результатов измерений и механическому разрушению струны - резистивного датчика.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является разработка заявителя - устройство для измерения параметров ветровых волн [Авторское свидетельство СССР №918787, МКИ G01C 13/00. А.К. Куклин, В.Е. Бандо. - Заявлено 21.12.1979. Опубл. 07.04.1982]. Прототип содержит, в частности, резистивный датчик, трехпроводную линию связи и измерительный блок, выполненный в виде последовательно соединенных усилителя низкой частоты, регистрирующего устройства и блока управления, а также источник питания. Между трехпроводной линией связи и усилителем низкой частоты введен измерительный мост постоянного тока, а между резистивным датчиком и трехпроводной линией связи введены генератор прямоугольных импульсов и преобразователь напряжения, который выполнен в виде двух пар транзисторных ключей.

Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются такие признаки прототипа: блок питания и резистивный датчик в виде струны из высокоомного материала, связанный с усилителем, средством регистрации и средством управления.

Недостатком прототипа является ограниченная точность измерения параметров волн, недостаточная помехоустойчивость и ограниченный ресурс работы.

В основу изобретения поставлена задача создания струнного волнографа, совокупностью существенных признаков которого достигаются новые технические свойства:

- возможность преобразования сопротивления струны (преобразования напряжения сигнала, измеренного с резистивного датчика) в частоту управляющего сигнала и формирования, в зависимости от этой частоты, заданного сигнала (заданных синусоидальных колебаний), который подают на резистивный датчик;

- осуществление контроля среднего потенциала резистивного датчика относительно потенциала заземления и устранение фактора его поляризации (накопления на нем электрического заряда под действием электрохимических процессов в морской воде) за счет использования генерируемых в устройстве гармонических сигналов, что снижает вероятность разрушения датчика;

- исключение попадания помех последовательного вида на струну за счет использования стабилизированного питания с гальванической развязкой от внешних питающих цепей;

- обеспечение гальванической развязки резистивного датчика от внешних питающих цепей.

Указанные новые технические свойства обусловливают достижение технического результата изобретения - повышение точности измерений, помехозащищенности и увеличение ресурса стабильной работы.

Поставленная задача изобретения решается тем, что в струнном волнографе, содержащем блок питания и резистивный датчик в виде струны из высокоомного материала, связанный с усилителем, средством регистрации и средством управления, новым является то, что он содержит RC-генератор с фазовым управлением частотой генерируемых синусоидальных колебаний, первый вход которого подключен к выходу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика, первый вход стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика подключен к резистивному датчику, а второй вход - к первому выходу стабилизированного блока питания с гальванической развязкой от внешних питающих цепей, второй выход стабилизированного блока питания заземлен, а первый выход подключен ко второму входу RC-генератора, первому входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, первому входу усилителя и первому входу управляемого генератора тока, третий вход RC-генератора подключен к выходу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, выход RC-генератора подключен ко второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, управляющий вход RC-генератора подключен к выходу усилителя, второй вход которого подключен к резистивному датчику, первому входу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика и выходу управляемого генератора тока, второй вход которого подключен к выходу RC-генератора, второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора и входу выходного усилителя с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей, выход которого является выходом устройства.

Сущность изобретения поясняется со ссылками на чертеж, на котором приведена блок-схема заявленного устройства.

Устройство содержит RC-генератор 1 синусоидальных колебаний звукового диапазона с фазовым управлением частотой генерируемых колебаний.Первый вход RC-генератора 1 подключен к выходу стабилизатора 2 нулевого потенциала резистивного датчика 3, который выполнен в виде струны из нихромового сплава с высоким удельным сопротивлением. Первый вход стабилизатора 2 нулевого потенциала подключен к резистивному датчику 3, а второй вход - к первому выходу стабилизированного блока питания 4 с гальванической развязкой от внешних питающих цепей. Первый выход стабилизированного блока питания 4 также подключен ко второму входу RC-генератора 1, первому входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, первому входу усилителя 6 и первому входу управляемого генератора тока 7. Второй выход стабилизированного блока питания 4 заземлен. Третий вход RC-генератора 1 подключен к выходу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора. Выход RC-генератора 1 подключен ко второму входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора. Четвертый (управляющий) вход RC-генератора 1 подключен к выходу усилителя 6. Второй вход усилителя 6 подключен к резистивному датчику 3, первому входу стабилизатора 2 нулевого потенциала резистивного датчика и выходу управляемого генератора тока 7. Второй вход управляемого генератора тока 7 подключен к выходу RC-генератора 1, второму входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора и входу выходного усилителя 8 с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей. Выход выходного усилителя 8 является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

Основой прибора является RC-генератор 1 синусоидальных колебаний звукового диапазона с фазовым управлением частотой генерируемых колебаний. Выходной сигнал RC-генератора 1 поступает на второй вход управляемого генератора тока 7, имеющего высокое выходное сопротивление. Мгновенное значение выходного тока этого генератора 7 пропорционально мгновенному напряжению на его входе. Таким образом, выходной ток имеет заданную синусоидальную форму и поступает на резистивный датчик 3 - преобразователь уровень-сопротивление.

На выходе резистивного датчика 3 напряжение имеет синусоидальную форму и его амплитуда пропорциональна сопротивлению участка датчика (струны), находящегося выше границы раздела вода-воздух. Это напряжение, после усиления в усилителе 6, поступает на управляющий (четвертый) вход RC-генератора 1 синусоидальных колебаний, что приводит к смещению частоты последнего на величину, пропорциональную величине входного сигнала.

В целом такая схема производит преобразование вида сопротивление-частота, то есть изменение частоты выходного сигнала генератора 1 оказывается пропорционально смещению границы раздела вода-воздух.

Узел 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора 1 необходим для устранения паразитной амплитудной модуляции, вызываемой фазовыми погрешностями применяемого усилителя 6, а также комплексным характером выходного сопротивления резистивного датчика 3, поскольку он частично погружен в электролит, которым является морская вода.

Стабилизатор 2 нулевого потенциала резистивного датчика производит сравнение среднего потенциала резистивного датчика 3, поступающего на первый вход стабилизатора 2, с потенциалом заземления, поступающим на второй вход стабилизатора 2. В случае если эта разница превышает заданную величину (несколько милливольт), стабилизатор 2 нулевого потенциала вырабатывает сигнал коррекции, стабилизирующий потенциал резистивного датчика 3 в заданных пределах.

Данный контроль необходим для поддержания симметрии тока, питающего датчик 3, относительно «земли», что исключает электрохимическое разрушение резистивного датчика 3 и благоприятно сказывается на стабильности работы струнного волнографа в целом.

Стабилизированный блок питания 4 вырабатывает напряжения, необходимые для работы элементов схемы, и обеспечивает гальваническую развязку струнного волнографа от питающих цепей, устраняя этим попадание помех последовательного вида на резистивную струну 3.

С такой же целью в состав струнного волнографа введен выходной усилитель 8 с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей.

Действующий опытный образец предлагаемого струнного волнографа был изготовлен и эксплуатируется на океанографической платформе в пгт. Кацивели (Республика Крым).

С его помощью были получены результаты в рамках следующих работ.

- Грант Российского научного фонда (проект №15-17-20020) «Динамика верхнего слоя океана по данным спутниковых радиолокационных и оптических измерений».

- Соглашение №14.577.21.0110 с Министерством образования и науки Российской Федерации на выполнение прикладных научных исследований «Разработка методов и создание экспериментального образца системы мониторинга антропогенных воздействий на шельфовые зоны черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров, на основе спутниковых и контактных данных».

Изобретение относится к области океанографических измерений. Особенностью заявленного струнного волнографа является то, что в измерительную схему включен RC-генератор с фазовым управлением частотой генерируемых синусоидальных колебаний, осуществляющий преобразование напряжения измеренного сигнала с резистивного датчика в частоту управляющего сигнала, который подается на вход управляемого генератора тока, генерирующего заданные синусоидальные сигналы, поступающие на резистивный датчик. Между резистивным датчиком и RC-генератором включен стабилизатор нулевого потенциала резистивного датчика. Питание измерительной схемы осуществляется через стабилизированный блок питания, осуществляющий гальваническую развязку резистивного датчика от внешних питающих цепей. Техническим результатом является повышение точности измерений, помехозащищенности и увеличение ресурса стабильной работы. 1 ил.

Струнный волнограф, содержащий блок питания и резистивный датчик в виде струны из высокоомного материала, связанный с усилителем, средством регистрации и средством управления, отличающийся тем, что содержит RC-генератор с фазовым управлением частотой генерируемых синусоидальных колебаний, первый вход которого подключен к выходу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика, первый вход стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика подключен к резистивному датчику, а второй вход - к первому выходу стабилизированного блока питания с гальванической развязкой от внешних питающих цепей, второй выход стабилизированного блока питания заземлен, а первый выход подключен ко второму входу RC-генератора, первому входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, первому входу усилителя и первому входу управляемого генератора тока, третий вход RC-генератора подключен к выходу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, выход RC-генератора подключен ко второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, управляющий вход RC-генератора подключен к выходу усилителя, второй вход которого подключен к резистивному датчику, первому входу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика и выходу управляемого генератора тока, второй вход которого подключен к выходу RC-генератора, второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора и входу выходного усилителя с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей, выход которого является выходом устройства.