Векторный автономный регистратор Российский патент 2023 года по МПК G01S15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и предназначено для измерения ряда параметров физических полей океана, а именно: гидроакустического поля, включая скалярное давление и вектор колебательной скорости, вектор скорости течения окружающей среды, температуры и давления окружающей среды.

Для решения прикладных и фундаментальных задач океанологии и гидроакустики известны различные датчики и измерители физических полей, среди которых можно назвать датчики гидроакустических полей - комбинированные гидроакустические приемники, датчики температуры и измерители скорости течений и датчики давления окружающей среды в точке размещения датчиков для вычисления глубины, на которой размещаются датчики

В качестве датчиков температуры применяют, например, выпускаемые серийно полупроводниковые датчики с цифровым выходом, которые могут непосредственно подключаться к системам записи информации на основе микропроцессоров. Датчики давления устанавливают, например, аналоговые, выпускаемые серийно, при этом выход датчика подключается к АЦП, входящему в систему записи информации на основе микропроцессора.

Измерители течений широко представлены многочисленными конструкциями, выпускаемыми серийно. По конструктивным особенностям эти приборы можно разделить на два вида: векторные и компонентные. Векторные приборы имеют отдельно датчики скорости и направления течений (вертушки ВММ, типа Экмана- Мерца, БПВ, ДИСК, Поток, Вектор. Компонентные приборы имеют датчики компонент скорости течений и датчики положения корпуса прибора относительно магнитного меридиана (АЦИТТ) (В.П.Коровин, В.М. Тимец, «Методы и средства гидрометеорологических измерений (Океанографические работы)», С-П., Гидрометеоиздат, 2000). По измерениям компонент скорости течения и положения прибора рассчитываются на ЭВМ все необходимые параметры течений: модуль, направление проекции на параллель и меридиан. Также известны акустические измерители скорости течений, основанные на измерении допплеровсого сдвига частоты излученного сигнала, отраженного от неоднородностей среды.

Конструктивно измерители течений представляют собой герметичные корпуса, в которых размещается электронная аппаратура и вынесенные в окружающую среду датчики, например, вертушечного типа, представляющие собой роторы с лопастями, вращающиеся под действием движущегося потока жидкости, полезным сигналом которых является частота вращения ротора, пропорциональная скорости движущегося потока жидкости. Акустические измерители также содержат герметичный корпус с электронной аппаратурой, на котором размещены излучатели и приемники акустического сигнала.

Следует отметить, что вертушечные измерители течений отличаются пониженной надежностью, связанной с наличием механической системы с вращающимся элементом, из-за возможности загрязнения и невысокой чувствительностью из-за наличия трения в подшипниках вертушки; акустические измерители перестают работать в водной среде при отсутствии элементов, отражающих излученный сигнал (пузырьки воздуха, различные взвеси - песок, планктон).

Известны и широко используются в гидроакустике комбинированные гидроакустические приемники (КГП). Приемники содержат канал акустического давления и три ортогональных канала для определения вектора колебательной скорости. Все каналы имеют единый фазовый центр, расположенный в геометрическом центре корпуса векторного приемника, имеющего, как правило, сферическую форму. Приемники снабжены системами электропитания и передачи информации. Кроме этого приемник снабжают системой, удерживающей его в определенном положении (п. РФ № 2569201 С1).

КГП позволяют получать дополнительную информацию о гидроакустических полях за счет того, что они определяют не только скалярное давление в поле акустической волны, но и вектор колебательной скорости. Такой подход, помимо определения направления прихода акустических колебаний в рабочем диапазоне частот, позволяет рассчитывать характеристики потока мощности, за счет чего может быть получено преимущество при пеленговании шумов в изотропном поле шумов моря. Основными проблемами, ухудшающими характеристики приемников, являются вибрационные помехи, возникающие по разным причинам и передающиеся на корпус приемника за счет механической связи между приемником и элементами подвеса и наличии кабелей (кабеля) для подвода электропитания и/или вывода полезной информации. По этим же причинам за счет проникновения акустических колебаний на корпус приемника опять же через элементы подвеса и подводящие кабели происходит искажение характеристики направленности. Кроме этого возникают сложности обеспечения настолько низкой резонансной частоты упругого подвеса, чтобы она оказывалась за пределами рабочего диапазона. Следует отметить, что многие задачи гидроакустики требуют расширения рабочего диапазона, что осуществляют за счет снижения минимальной рабочей частоты, что связано как с условиями распространения звука в океане, так и с особенностями объектов, этот звук излучающих, и являющихся предметом исследования.

Известны комбинированные приемники, в которых для уменьшения воздействия на приемник вибраций используют системы, удерживающие приемник в определенном положении с использованием эластичных нитей. Например, предлагается КГП, в котором используют двузвенную подвесную систему, при которой комбинированный приемник устанавливается в звукопрозрачной рамке, которая в свою очередь присоединена к корпусу через натяжитель, к которому посредством ограничительной нити крепится и комбинированный приемник. Крепление осуществляют посредством лонжей, изготовленных из эластичной и ограничительной нитей, например из резиновых и кевларовых нитей (п. РФ № 106880).

Необходимо отметить, что системы подвеса КГП, включающие эластичные и ограничительные нити, а также электрические кабели, служащие для подведения электропитания и соединения датчиков с системой передачи/накопления информации, ухудшают характеристики КГП, искажая характеристику направленности; также следует отметить, что расположенные в непосредственной близости от корпуса приемника герметичные контейнеры с электронными блоками и элементами питания обладают многочисленными собственными механическими резонансами, что искажает акустическое поле, воздействующее на КГП, вызывая дополнительные погрешности измерений.

Наиболее близким к заявляемому является комбинированный гидроакустический приемник (п. РФ № 2577421 С1), содержащий корпус с грузом, расположенным в центре корпуса, гидрофонный канал, три векторных канала, установленных центрально-симметрично между корпусом и грузом, электронный блок преобразования акустических колебаний, систему фиксации корпуса в определенном положении, снабженную системами электропитания и передачи информации. Система фиксации корпуса выполнена в виде жесткого каркаса, снабженного неконтактной системой подвеса корпуса, состоящей из размещенных вокруг корпуса датчиков положения и постоянных магнитов, установленных внутри корпуса, а также электромагнитов, размещенных на каркасе, и электронной системы регулировки тока в электромагнитах. Системы электропитания и передачи информации выполнены дистанционными. Система передачи информации включает передающую часть, размещенную в корпусе и соединенную с электронным блоком преобразования акустических колебаний, и сопряженную с ней приемную часть, установленную на каркасе и соединенную с электронным блоком преобразования полученных сигналов, хранения и/или передачи информации, Система электропитания состоит из передающей части, расположенной на каркасе в непосредственной близости от корпуса и включающей или колебательный контур или катушку с магнитопроводом, и приемной части, включающей или настроенный на частоту колебательного контура передающей части колебательный контур или катушку с магнитопроводом отделенным от магнитопровода передающей части зазором, обеспечивающим возможность колебательного движения полого корпуса.

Однако функциональные возможности приемника снижены из-за регистрации только векторно-скалярных измерений параметров гидроакустических полей океана, конструкция устройства достаточна сложна и недостаточно точна из-за использования эластичных лонжей, крепежных нитей и электрических кабелей, а также близко расположенного герметичного контейнера с элементами питания и системой записи информации, что искажает акустическое поле вблизи устройства.

Заявляемое изобретением направлено на разработку конструкции приемника, обеспечивающую расширение функциональных возможностей, упрощения конструкции и снижения стоимости, улучшения рабочих характеристик комбинированного приемника, устранения искажения акустического поля и системой записи информации.

Техническим результатом заявляемого решения является возможность одновременного получения данных о скалярном давлении в акустическом поле, векторе колебательной скорости акустического поля, векторе скорости течения, температуре окружающей среды и давлении (глубине погружения), а также улучшение формы характеристики направленности КГП, повышенная надежность устройства, как измерителя вектора скорости течений, за счет отсутствия подвижных частей, упрощение конструкции и стоимости.

Заявляемый векторный автономный регистратор включает неметаллический каркас в виде двух перпендикулярно пересекающихся колец с закрепленными в местах пересечения шестью сердечниками из магнитомягкого железа, помещенный внутрь каркаса сферический герметичный разъемный корпус нулевой плавучести из немагнитного и неэлектропроводного материала, с установленными на поверхности арретирующими элементами, отделенными от каркаса зазорами, в центре корпуса размещен являющийся одновременно инертной массой электронный блок с элементами питания, соединенный с корпусом посредством шести пьезоэлектрических датчиков, расположенных вдоль осей ортогональной системы координат, центр которой совпадает с геометрическим центром сферического корпуса, и образующих совместно с инертной массой электронного блока трехкоординатный акселерометр, внутри корпуса установлен датчик магнитного поля, на внешней поверхности корпуса симметрично установлены четыре гидрофона, датчик температуры, датчик давления окружающей среды, а напротив сердечников установлены шесть электрических катушек системы удержания, внутри которых расположены высокочастотные электрические катушки индукционных датчиков положения, при этом высокочастотные электрические катушки, акселерометры, гидрофоны и датчики температуры и давления соединены с АЦП, размещенными на электромонтажных платах электронного блока, электрические катушки подсоединены к силовым элементам электронного блока, а датчик магнитного поля подсоединен к АЦП электронного блока, снабженного системой хранения информации.

Система хранения может быть выполнена, например, на SD-карте.

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого регистратора, где 1- каркас; 2 - сердечник из магнитомягкого материала; 3 - сферический корпус векторного регистратора; 4 - кольцевой эластичный арретирующий элемент; 5 - электронный блок; 6 - элементы питания (аккумуляторы), 7 - пьезоэлектрический датчик; 8 - гидрофон; 9 - датчик температуры; 10- датчик давления; 11 - электрическая катушка системы удержания; 12 - высокочастотная электрическая катушка индукционного датчика положения; 13 - электромонтажные платы электронного блока; 14 - датчик магнитного поля.

На Фиг. 2 изображен внешний вид регистратора.

Векторный автономный регистратор предназначен для работы в составе донной станции, к конструкции которой он пристыковывается с помощью крепежных элементов каркаса (на фигурах не показаны). Кольцевые эластичные арретирующие элементы 4, закрепленные на сферическом корпусе 3, отделены от конструкции каркаса 1 зазорами, что обеспечивает свободное перемещение корпуса 3 относительно каркаса 1 в пределах этих зазоров. Размеры корпуса 3 подобраны так, чтобы, при имеющейся массе корпуса 3, вместе со всеми установленными внутри и снаружи корпуса 3 устройствами, обеспечивается средняя плотность корпуса 3 примерно равной плотности воды. Каркас, изготовленный из немагнитного и неэлектропроводного материала, например из пластмассы, акрилового полимера, имеет шесть встроенных сердечников 2 из магнитомягкого железа, изолированного от воздействия воды с целью предотвращения коррозии. Напротив сердечников 2 каркаса 1 расположены электрические катушки 11 системы удержания, при протекании по которым тока возникают силы магнитного взаимодействия, притягивающие катушки 11 к сердечникам 2. Внутри катушек 11, коаксиально с ними, расположены высокочастотные электрические катушки 12 индукционных датчиков положения, по которым протекает переменный электрический ток высокой частоты, при этом индуктивное сопротивление катушки 12 зависит от индуктивности катушки, которая зависит от расстояния между катушкой 12 и сердечником 2. На электромонтажных платах 13 электронного блока 5 собрана следящая система, регулирующая ток электрических катушек 11 так, чтобы индуктивные сопротивления катушек 12, зависящие от расстояний между катушками 12 и сердечниками 2 были все одинаковыми, за счет чего обеспечивается удержание корпуса 3 в геометрическом центре каркаса 1, при этом кольцевые эластичные арретирующие элементы 4, закрепленные на сферическом корпусе 3, не будут касаться каркаса, обеспечивая корпуса 3 свободу перемещений в пределах зазоров. При этом корпус 3 получает возможность совершать колебания под воздействием акустической волны, амплитуда которых, при средней плотности корпуса 3, равной плотности воды, равна амплитуде колебаний частиц жидкости в поле акустической волны [Векторно-фазовые методы в акустике / В.А. Гордиенко, В.И. Ильичев, Л.Н. Захаров. - М.: Наука, 1989, -223с]

В связи с тем, что электронный блок 5 раскреплен внутри корпуса 3 посредством пьезоэлектрических датчиков 7, возникающие при колебаниях корпуса 3 силы инерции электронного блока нагружают пьезоэлектрические датчики, вызывая появление на их электродах электрического напряжения, которое посредством электрических проводов подается в приемный тракт регистрации акустических сигналов, размещенный на электромонтажных платах и содержащий усилители (при необходимости), многоканальный АЦП, подключенный к процессору электронного блока, и систему записи/хранения информации, например, на SD карте. Следует отметить, что сигналы пьезоэлектрических датчиков пропорциональны колебательному ускорению, воздействующему на корпус 3, поэтому, для получения компонент колебательной скорости, оцифрованные сигналы датчиков 7 должны быть в процессоре проинтегрированы. Аналогично, за исключением процедуры интегрирования, с помощью усилителей и многоканального АЦП в процессор вводятся сигналы гидрофонов, где осуществляется суммирование сигналов со всех гидрофонов с последующей записью на SD карту. Также, с помощью усилителей, АЦП и процессора регистрируются на SD карту сигналы датчика температуры 9 и датчика давления 10.

При наличии течения имеет место поток, натекающий на корпус 3 с вектором скорости V, который может быть представлен в виде проекций вектора скорости на оси системы координат Vx, Vy, Vz. При этом прекции вектора скорости будут оказывать на корпус силовое воздействие, вектор силы которого F также может быть представлен проекциями на оси системы координат Fx, Fy, Fz. В общем случае сила воздействия потока на сферическое тело, находящееся в потоке, может быть представлена как

где

F - сила, ρ - плотность жидкости, Cx - коэффициент гидродинамического сопротивления сферического тела, Sm - площадь мидель сферического тела, V - скорость потока.

Очевидно, что под действием силы F сферический корпус 3 будет стремиться к смещению относительно каркаса 1 в направлении потока, что вызовет изменение расстояний между высокочастотными катушками 12 и сердечниками каркаса 2, что вызовет работу следящей системы электронного блока, которая будет изменять протекающий в катушках 11 системы удержания ток таким образом, чтобы расстояния между высокочастотными катушками 12 и сердечниками 2 оставалось одинаковым. При этом наблюдается зависимость между разностью токов ΔI, протекающих в лежащих на одной оси системы координат катушках 11 и компонентой вектора силы F, действующей на корпус 3 со стороны потока течения вдоль той же оси системы координат:

где

ΔI - разность токов, протекающих по катушкам, F_i - проекция вектора силы потока течения, воздействующего на сферический корпус 3 на рассматриваемую ось системы координат, k - коэффициент, зависящий, в общем случае, от геометрических и электрических параметров катушки, геометрии и магнитной проницаемости сердечника, размеров корпуса и зазора между катушкой 11 и сердечником 2.

Таким образом, измеряя величины токов, протекающих в катушках 11 системы удержания и вводя, например, с помощью многоканального АЦП измеренные величины в процессор электронного блока, путем дальнейшей обработки в процессоре полученных величин с учетом формул (1) и (2), получаем расчетным путем величины проекций скорости потока течения на оси системы координат Vx, Vy, Vz, которые записываются на SD карту.

Измерения вектора колебательной скорости и вектора скорости потока течения в подавляющем большинстве случаев требуют привязки ориентации измерителя к географической системе координат, для чего векторный автономный регистратор оснащен датчиком магнитного поля 14, размещенном внутри сферического корпуса 3. Так работа системы удержания корпуса 3 в геометрическом центре каркаса 1 основана на взаимодействии магнитных полей катушек 11 с сердечниками 2, данные магнитные поля вызовут погрешности определения вектора магнитного поля Земли датчиком магнитного поля 14. Для того, чтобы исключить влияние работы системы удержания на определение ориентации устройства, измерение вектора магнитного поля Земли производится в течение небольшого периода времени перед началом работы при выключенной системе удержания, для чего используется таймер процессора, отвечающего за обеспечение работы устройства. Для этого предусматривается программная задержка включения систем векторного измерителя, отсчитываемая с помощью таймера.

Следует отметить, что находящиеся в потоке течения КГП испытывают воздействие турбулентных вихрей, срывающихся в процессе обтекания с корпуса приемника, что проявляется в возникновении так называемых псевдозвуковых помех. Для борьбы с этим явлением применяют звукопрозрачные обтекатели, снижающие скорость потока, натекающего на корпус приемника; отмечается, однако, что применение обтекателей существенно ухудшает характеристику направленности КГП; кроме того, в данном случае, использование обтекателя, снижающего скорость потока, натекающего на корпус КГП вообще неприемлемо, так как воздействие потока на корпус используется для определения скорости течения. Поэтому, если рабочий диапазон КГП лежит в области существования псевдозвуковых помех, можно предложить использование нескольких векторных автономных регистраторов, расположенных недалеко друг от друга с последующей совместной обработкой сигналов, при этом акустические сигналы, записываемые регистраторами, оказываются коррелированными, а сигналы псевдозвуковых помех - некоррелированными, что позволяет, с помощью обработки полученных сигналов избавится от вышеназванных помех. Дополнительным преимуществом такого подхода является возможность образования векторно-фазовой антенны из нескольких КГП, что расширяет возможности исследования акустических полей океана.

Корпус регистратора выполнен разъемным и соединен, например винтами, для замены аккумуляторов, ремонта или периодического извлечения карт памяти.

Таким образом, векторный автономный регистратор физических полей океана имеет более простую и легкую конструкцию меньшей стоимости, позволяющую решать более широкий круг задач при проведении океанологических исследований по сравнению с известными, за счет расширения регистрируемых параметров: температура, давление (глубина), ориентация относительно магнитного полюса, вектор скорости течения, вектор колебательной скорости и скалярное давление акустического поля; повышения точности измерений из-за отсутствия в непосредственной близости от сферического корпуса каких-либо герметичных объемов, искажающих акустическое поле; предложенной системой передачи информации, при которой элементы питания и система регистрации получаемой информации размещены непосредственно внутри сферического корпуса.

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике. Векторный автономный регистратор содержит каркас, сердечник из магнитомягкого материала, сферический корпус векторного регистратора, кольцевой эластичный арретирующий элемент, электронный блок, элементы питания, пьезоэлектрический датчик, гидрофон, датчик температуры, датчик давления, электрическую катушку системы удержания, высокочастотную электрическую катушку индукционного датчика положения, электромонтажные платы электронного блока, датчик магнитного поля. Технический результат – упрощение конструкции, повышение надежности устройства, расширение регистрируемых параметров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Векторный автономный регистратор, включающий неметаллический каркас в виде двух перпендикулярно пересекающихся колец с закрепленными в местах пересечения шестью сердечниками из магнитомягкого железа, помещенный внутрь каркаса сферический герметичный разъемный корпус нулевой плавучести из немагнитного и неэлектропроводного материала, с установленными на его поверхности арретирующими элементами, отделенными от каркаса зазорами, размещенный в центре корпуса электронный блок с элементами питания, соединенный с корпусом посредством шести пьезоэлектрических датчиков, расположенных вдоль осей ортогональной системы координат, центр которой совпадает с геометрическим центром сферического корпуса, и образующих совместно с инертной массой электронного блока трехкоординатный акселерометр, внутри корпуса установлен датчик магнитного поля, а на внешней поверхности корпуса симметрично установлены четыре гидрофона, датчик температуры и датчик давления окружающей среды, также на корпусе напротив сердечников установлены шесть электрических катушек системы удержания, внутри которых расположены высокочастотные электрические катушки индукционных датчиков положения, при этом высокочастотные электрические катушки, акселерометры, гидрофоны и датчики температуры и давления соединены с АЦП, размещенными на электромонтажных платах электронного блока, электрические катушки подсоединены к силовым элементам электронного блока, а датчик магнитного поля - к АЦП электронного блока, снабженного системой хранения данных.

2. Векторный автономный регистратор по п.1, отличающийся тем, что система хранения данных выполнена на SD-карте.