Автономный регистратор гидрофизических параметров Российский патент 2024 года по МПК G01V1/38 

Изобретение относится к океанологии, конкретно к автономным регистраторам гидрофизических параметров для долговременной регистрации записи гидроакустических и гидрофизических данных под водой, в том числе акустического давления, и широко используется в океанологических исследованиях.

Регистраторы, как правило, оснащены соответствующими датчиками, имеют малые габариты, снабжены автономным источником питания и системой записи получаемой информации. Указанные особенности позволяют формировать из регистраторов распределённые в пространстве массивы, состоящие из большого количества устройств, которые синхронно записывают какие-либо параметры на значительных по площади акваториях. По истечении заданного времени работы производится сбор регистраторов и считывание записанной на внутренний накопитель информации для последующего использования. Такой способ применения регистраторов, особенно регистраторов акустического давления, обуславливает необходимость наличия в составе регистратора высокостабильного таймера, который должен быть синхронизирован с аналогичными таймерами других регистраторов, используемых для совместной работы, перед её началом. Специфика исследований гидроакустических полей, даже при сравнительно небольших по продолжительности экспериментах (несколько суток), и при не слишком высоких частотах (сотни герц) требует стабильности встроенного таймера порядка 10^-7 - 10^-9.

Известны автономные регистраторы, например, гидроакустический регистратор РГА производства НПП АКМА предназначенный для записи гидроакустических сигналов на внутреннюю микроSD-карту объемом 16 Гигабайт Регистратор представляет собой автономное устройство, питающееся от аккумулятора, размещенное в прочном малогабаритном пластиковом корпусе, и состоит из гидрофона, установленного на съемной крышке, электронной платы, микроSD-карты SDHC и аккумулятора. Съемная крышка, крепится к корпусу при помощи накидной гайки. После завершения записи акустических сигналов микроSD-карта извлекается из регистратора для последующей их обработки на компьютере. Емкость SD карты обеспечивает хранение покадровых записей, сделанных в течение 10 часов непрерывной работы (http://www.npo-akma.ru/drms.shtml).

Известен автономный гидроакустический регистратор, включающий гермокорпус с блоком питания, съемной крышкой с акустическими и гидрофизическими датчиками и цифровым диктофоном, снабженным как минимум двумя каналами записи акустической информации и внутренней памятью. Акустический датчик через предварительный усилитель подключен к одному из каналов записи цифрового диктофона, а другой канал записи диктофона соединен с выходом дополнительного тракта формирования сигнала от гидрофизических датчиков, включающего устройство согласования импедансов и коммутации гидрофизических датчиков, АЦП, микроконтроллер и дифференциальный преобразователь (п. РФ № 219977 U1.

Известен автономный регистратор являющийся частью пространственно распределенной системы регистрации гидрофизических параметров. Герметичный корпус регистратора оснащён датчиками температуры и давления, системой записи данных на SD-карту, аккумуляторной батареей и возможностью синхронизации путём подачи синхроимпульса по подключаемому кабелю. [Приборы и техника эксперимента; 2017. № 1. C. 128-135.]. Однако, в процессе эксплуатации с целью извлечения карт памяти для переноса записанных данных в компьютер для обработки, извлечения аккумуляторов для их зарядки и осуществления акта синхронизации необходимо открывать корпус регистратора.

Известен автономный регистратор гидрофизических полей, рассматриваемый нами как наиболее близкий аналог, представляющий собой гидроизолированный корпус, включающий термостабилизированный кварцевый генератор, соединённый с микроконтроллерным блоком управления, соединённый с микроконтроллерным блоком управления блок энергонезависимой твердотельной SD памяти (устройство чтения/записи SD карты), размещённые снаружи корпуса датчики геофизических параметров (гидрофон, и датчик гидростатического давления), соединённые с размещёнными внутри корпуса масштабирующим и согласующим усилителями, подключенными к АЦП микроконтроллерного блока управления, также размещённым снаружи цифровым датчиком температуры, соединённым с микроконтроллерным блоком управления, размещённым внутри корпуса трёхкомпонентным акселерометром, соединённым с микроконтроллерным блоком управления (п. РФ № 171987 U1).

Данный регистратор позволяет повысить достоверность получаемых характеристик гидрофизических полей и одновременно обеспечивает возможность соединения нескольких регистраторов при необходимости создания из них антенных систем, увеличивая функциональные возможности регистратора. При этом сигналы датчиков геофизических параметров усиливаются масштабирующим и согласующим усилителями, оцифровываются с помощью АЦП, далее поступают в микроконтроллерный блок управления и записываются на SD карту. Сигналы датчики температуры и модуля позиционирования также поступают в микроконтроллерный блок управления и записываются на SD карту. Для обеспечивания синхронной работы нескольких регистраторов имеется вход синхронизации, по которому сигнал синхронизации поступает в микроконтроллерный блок управления, обеспечивая синхронную работу нескольких регистраторов.

Однако необходимость извлечения карт памяти для переноса записанных данных в компьютер для обработки, извлечения аккумуляторов для их зарядки, подключения кабеля синхронизатора для осуществления синхронизации, вызывает необходимость открывания корпуса регистратора, что приводит к снижению надёжности работы регистратора из-за окисления и износа контактов слота для SD карты, контактов аккумуляторов в результате воздействия атмосферного воздуха, содержащего влагу и морские соли. Также это повышает риск потери герметизации, что ведёт к утрате оборудования и потере данных в результате затекания корпуса регистратора, кроме этого, в процессе эксплуатации в период хранения для проверки степени заряда аккумулятора также требуется вскрытие корпуса регистратора. Следует отметить, что используемые для обеспечения синхронной работы регистраторов термостатированные кварцевые генераторы, обеспечивающие необходимую стабильность частоты, получают свои характеристики за счёт поддержания внутри своего корпуса повышенной температуры, поддерживаемой с высокой точностью, что приводит к увеличению расхода энергии аккумуляторной батареи, при этом отметим, что с другой стороны, используемые в устройствах литиевые аккумуляторы, отличающиеся большой энергоёмкостью при малых габаритах, характеризуются снижением ёмкости при пониженной температуре. Очевидно, что при погружении в воду, особенно в холодный период, кварцевый генератор увеличивает расход энергии, а энергоёмкость аккумуляторной батареи уменьшается, что ведёт к сокращению времени работы. Также следует отметить, что для данного типа аккумуляторов недопустим глубокий разряд - он ведёт к непоправимой утрате работоспособности. При этом в эксплуатации возможны ситуации (например, из-за штормовой погоды), когда своевременно извлечь регистраторы из воды не представляется возможным - и в результате недопустимый глубокий разряд аккумуляторных батарей регистраторов неизбежен.

Таким образом, стоит проблема разработки нового автономного регистратора повышенной надежности с улучшенными эксплуатационными характеристиками и экономичностью.

Проблема решается предлагаемым автономным регистратором гидрофизических параметров, оборудованным системами вакуумирования корпуса и контроля за герметичностью и напряжением аккумуляторной батареи, системой заряда аккумуляторной батареи и чтения данных, записанных на SD карту, не требующей разгерметизации корпуса, а также конструктивными элементами, обеспечивающими снижение расхода энергии при работе термостатированного кварцевого генератора и предотвращающими снижения ёмкости аккумуляторной батареи при понижении температуры окружающей среды, а также оперативной системой контроля состояния аккумуляторной батареи, функционирующей без необходимости вскрытия корпуса и включения основных систем регистра.

Автономный регистратор гидрофизических параметров состоит из трубчатого, герметизированного, оптически прозрачного корпуса с размещенным внутри микроконтроллерным блоком управления и двумя крышками, оснащенными гермовводами, одна из которых снабжена разъемом для подключения расположенного снаружи корпуса блока геофизических датчиков, соединённых с многоканальным АЦП, размещённым внутри корпуса. Вторая крышка - разъёмами для подключения устройств, размещённых внутри корпуса: аккумуляторной батареи, устройства чтения/записи SD карты, и кабеля синхронизатора, кроме этого крышка содержит два штуцера, закрытые герметизирующими заглушками, один из которых оборудован обратным клапаном, при этом эта крышка дополнительно снабжена герметичным колпаком. Внутри корпуса установлен цифровой вольтметр, соединённый с помощью нормально-разомкнутого геркона с положительным выходом аккумуляторной батареи; микроконтроллерный блок управления, соединённый с устройством чтения/записи SD карт, размыкателем питания, датчиком давления, многофункциональным индикатором и с многоканальным АЦП, в свою очередь, соединённым с делителем частоты, соединённым с термостабилизированным кварцевым генератором и с разъёмом для подключения кабеля синхронизации. Также внутри корпуса размещён блок питания, соединённый через нормально замкнутый геркон и размыкатель питания, соединённый с микроконтроллерным блоком управления, с аккумуляторной батареей, плюсовой вывод которой соединён с встроенным АЦП микроконтроллера микроконтроллерного блока управления, при этом все элементы блока управления регистратора, кроме цифрового вольтметра, нормально-замкнутого геркона и многофункционального индикатора, помещены в дополнительный теплоизоляционный блок.

Изобретение, по сравнению с аналогом, позволяет производить включение регистратора, чтение данных, записанных на SD карту, заряд аккумуляторных батарей, проверку напряжения аккумуляторной батареи и осуществлять синхронизацию группы регистраторов без разгерметизации корпуса, что исключает и влияние атмосферы на электронные компоненты, и риск потери герметизации в результате нарушения технологии эксплуатации, а наличие цепи контроля напряжения аккумуляторной батареи с помощью микропроцессора, соединённого с размыкателем питания, позволяет корректно завершить работу регистратора и отключить потребителей электроэнергии по достижении критически низкого уровня напряжения батареи, что исключает недопустимый разряд аккумуляторной батареи. Наличие датчика давления, подключенного к микропроцессору, позволяет постоянно следить за герметичностью корпуса. Наличие дополнительной теплоизоляции позволяет поддерживать внутри объёма, ограниченного дополнительной теплоизоляцией более высокую температуру, за счёт чего снижается расход энергии на обеспечение работы термостатированного кварцевого генератора и предотвращается снижение ёмкости аккумуляторной батареи из-за низкой температуры окружающей среды.

Техническая сущность и принцип действия устройства поясняются предложенной схемой устройства (Фиг), где 1 - корпус; 2 - крышка А; 3 - блок геофизических датчиков; 4 -многоканальный АЦП; 5 - крышка Б; 6 - разъём чтения SD карты; 7 - разъём зарядного устройства; 8 - разъём синхронизатора; 9 - штуцер; 10 - заглушка; 11 - обратный клапан; 12 - герметичный колпак; 13 - цифровой вольтметр; 14 - нормально-разомкнутый геркон; 15 - аккумуляторная батарея; 16 - микропроцессор; 17 - слот SD карты; 18 - размыкатель питания; 19 - датчик давления; 20 - делитель частоты; 21 - термостатированный кварцевый генератор; 22 - блок питания; 23 - нормально-замкнутый геркон; 24 - дополнительная теплоизоляция; 25 - многофункциональный индикатор.

Описание работы устройства.

В полностью собранном состоянии, при заряженной аккумуляторной батарее (15) и со снятым герметичным колпаком (12) регистратор находится в выключенном состоянии. так как в кармане (на Фиг. не показан), прикреплённом к наружной поверхности корпуса (1) в месте расположения нормально-замкнутого геркона (23) размещается магнит, вызывающий размыкание нормально-замкнутого геркона (23). Для включения регистратора магнит извлекается, геркон замыкает цепь, соединяющую аккумуляторную батарею (15) с блоком питания (22), где вырабатываются необходимые для работы элементов устройства питающие напряжения. При этом получивший питание микропроцессор (16), с помощью записанной в его постоянную память программы, осуществляет проверку работоспособности SD карты находящейся в слоте SD карты (17), с помощью датчика давления (19) измеряет давление газа, наполняющего корпус (1), а с помощью встроенного в микропроцессор АЦП измеряет напряжение аккумуляторной батареи (15). Пороговые значения измеряемых величин, хранящиеся в энергонезависимой памяти микропроцессора, сравниваются при этом с измеренными величинами, и, в случае нахождения измеренных величин в допускаемых интервалах относительно пороговых значений, а также при успешном завершении проверки работоспособности SD карты, регистратор переходит в режим ожидания синхронизации. Данный режим детально (состояние SD карты, давление газа внутри корпуса, напряжение аккумуляторной батареи) подтверждается с помощью многофункционального индикатора (25), который наблюдается оператором через прозрачный корпус (1). Для синхронизации регистратора (с целью начать работу в определённый момент времени и осуществлять оцифровку поступающих из блока геофизических датчиков (3) аналоговых сигналов со стабилизированной частотой дискретизации) к разъёму синхронизатора (8) подключается кабель синхронизатора (на Фиг. не показан), который по команде оператора генерирует импульс синхронизации, поступающий в делитель частоты (20), соединённый с многоканальным АЦП (4) и подключенный к термостатированному кварцевому генератору (21), вырабатывающему высокостабильные колебания высокой частоты. Импульс синхронизации запускает делитель частоты, на выходе которого появляются низкочастотные импульсы, стабильность частоты которых определяется стабильностью термостатированного кварцевого генератора (21), и используются для тактирования работы многоканального АЦП (4), осуществляющего оцифровку аналоговых сигналов блока геофизических датчиков. Оцифрованные сигналы поступают из многоканального АЦП (4) в микропроцессор (16), который записывает оцифрованные данные на SD карту. После завершения процедуры синхронизации герметичный колпак (12) устанавливается на регистратор, регистратор размещается на акватории, где и производится запись геофизических параметров. По завершении записи регистратор извлекается из воды, герметичный колпак (12) снимается, подключается кабель синхронизатора и оператор подаёт ещё один импульс синхронизации, который, за счёт соответствующего устройства делителя частоты (20), прекращает работу делителя частоты, завершая процесс записи геофизических параметров на SD карту. Синхронная остановка регистраторов применяется для повышения точности при обработке полученных данных. После этого регистратор выключается путём установки в карман (на Фиг. Не показан), прикреплённый к наружной поверхности корпуса (1) в месте расположения нормально-замкнутого геркона (23). После выключения регистратора к разъёму SD карты (6) подключается кабель сопряжения с персональным компьютером (ПК), посредством которого осуществляется перенос записанных данных в память ПК для дальнейшей обработки. Независимо от того, включен регистратор или нет, оператор, при необходимости, может поднести магнит к месту размещения нормально-разомкнутого геркона (14), при этом включится цифровой вольтметр (13), показания которого могут быть прочитаны через прозрачный корпус (1). По результатам этого измерения может быть принято решение о необходимости зарядки аккумуляторной батареи (15), для чего необходимо соединить кабель внешнего зарядного устройства с разъёмом зарядного устройства (7) и произвести заряд аккумуляторной батареи.

С целью защиты электронных компонентов регистратора от вредного воздействия влажности и морской соли, содержащейся в атмосфере в районе эксплуатации регистратора, корпус (1) регистратора постоянно закрыт крышками А и Б, причём крышка Б снабжена двумя штуцерами (9), постоянно закрытыми съёмными заглушками (10), при этом один из штуцеров оснащён обратным клапаном (11), который включен так, что позволяет откачивать газ (воздух) из полости корпуса (1) и не пропускает воздух в обратном направлении. Такая конфигурация позволяет осуществить продувку внутренней полости корпуса (1) инертным газом, для чего необходимо снять со штуцеров (9) заглушки (10) и соединить штуцер без обратного клапана (11) с источником инертного газа (например, баллоном с инертным газом, находящимся под давлением) с помощью гибкого шланга подходящего диаметра. При этом внутренняя полость корпуса 1 окажется заполненной инертным газом. После этого гибкий шланг должен быть удалён, а штуцер (9) закрыт заглушкой (10). После этого к штуцеру, оснащённому обратным клапаном, подключается, с помощью гибкого шланга, вакуумный насос и производится откачивание заполняющего внутреннюю полость корпуса (1) газа до достижения заданного давления, величина которого контролируется оператором по многофункциональному индикатору (25). По достижении заданного давления вакуумный насос отсоединяется от штуцера (9), а сам штуцер закрывается заглушкой (10). Таким образом, внутри регистратора создаётся пониженное давление, величина которого непрерывно измеряется во время работы регистратора и индицируется, за счёт чего у оператора имеется возможность в любой момент оценить степень герметичности корпуса (1).

Большая часть энергопотребляющих компонентов (блок питания, термостатированный генератор, делитель частоты, АЦП, микропроцессор, SD карта), а также аккумуляторная батарея, помещены в дополнительную теплоизоляцию (24), представляющую собой, например, кожух, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, охватывающий перечисленные компоненты и размещённый внутри корпуса (1). За счёт этого тепло, выделяющееся при работе энергопотребляющих компонентов, не рассеивается в окружающую среду, а идёт на повышение температуры внутри кожуха. За счёт повышенной температуры, с одной стороны, уменьшается расход энергии на термостатирование кварцевого генератора, с другой стороны, улучшаются условия работы аккумуляторной батареи, благодаря чему её емкость не снижается в той степени, которая бы наблюдалась при пониженной температуре. В результате увеличивается время работы регистратора.

Для изготовления регистратора применяются материалы и электронные компоненты, серийно выпускаемые промышленностью. Корпус изготавливается из прозрачного поликарбоната, крышки могут быть изготовлены из пластика, например, полиуретана, в качестве термостатированного кварцевого генератора может быть использован генератор ГК193-ТС, в качестве микропроцессора может быть применён, например, процессор семейства Mega.

Таким образом, за счет предложенной новой конструкции регистратора достигается: упрощение обслуживания: не требуется извлечение аккумуляторов для подзарядки, не требуется излечение SD карты для считывания данных. При длительном хранении имеется возможность (за счёт наличия цифрового вольтметра, включаемого за счёт размещения внешнего магнита в зоне нахождения нормально-разомкнутого геркона внутри корпуса) быстро проверить напряжение аккумуляторной батареи с целью проверки состояния в условиях саморазряда; повышение эксплуатационной надёжности за счёт заполнения внутренней полости корпуса инертным газом при пониженном давлении - отсутствуют коррозионные процессы в контактах слота SD карты, герметичность корпуса находится постоянно под контролем. В случае нарушения герметичности герметичного колпака и произошедшего в результате этого затекания пространства под колпаком, наиболее сложные и ценные элементы регистратора не страдают, регистратор может быть легко отремонтирован путём замены крышки; увеличение продолжительности работы за счёт использования выделяющегося при работе тепла для поддержания более высокой температуры аккумуляторных батарей и снижение потребления энергии системой термостатирования кварцевого генератора также за счёт поддержания более высокой температуры внутри корпуса за счет дополнительной теплоизоляции, выполненной например, в виде кожуха; предотвращение отказа аккумуляторной батареи вследствие недопустимого разряда из-за непреднамеренного увеличения времени работы за счёт непрерывного отслеживания напряжения батареи в процессе работы, и, в случае достижения порогового значения, корректного завершения работы с закрытием записываемого файла данных с последующим отключением питания.

Изобретение относится к океанологии, конкретно к автономным регистраторам гидрофизических параметров для долговременной регистрации записи гидроакустических и гидрофизических данных под водой, в том числе акустического давления, и широко используется в океанологических исследованиях. Регистратор оборудован системами вакуумирования корпуса и контроля за герметичностью и напряжением аккумуляторной батареи, системой заряда аккумуляторной батареи и чтения данных, записанных на SD карту, не требующей разгерметизации корпуса, а также конструктивными элементами, обеспечивающими снижение расхода энергии при работе термостатированного кварцевого генератора и предотвращающими снижения ёмкости аккумуляторной батареи при понижении температуры окружающей среды, а также оперативной системой контроля состояния аккумуляторной батареи, функционирующей без необходимости вскрытия корпуса и включения основных систем регистра. Технический результат - разработка нового автономного регистратора повышенной надежности с улучшенными эксплуатационными характеристиками. 1 ил.

Автономный регистратор гидрофизических параметров состоит из трубчатого герметизированного оптически прозрачного корпуса с размещенным внутри микроконтроллерным блоком управления и двумя крышками, оснащенными гермовводами, одна из которых снабжена разъемом для подключения расположенного снаружи корпуса блока геофизических датчиков, соединённых с многоканальным АЦП, размещённым внутри корпуса, а вторая – разъёмами для подключения устройств, размещённых внутри корпуса: аккумуляторной батареи, устройства чтения/записи SD карты, и кабеля синхронизатора, при этом крышка также снабжена закрытыми герметизирующими заглушками, двумя штуцерами, на одном из которых установлен обратный клапан, и дополнительно снабжена герметичным колпаком, внутри корпуса установлен цифровой вольтметр, соединённый с помощью нормально-разомкнутого геркона с положительным выходом аккумуляторной батареи, причем микроконтроллерный блок управления соединён с устройством чтения/записи SD карт, размыкателем питания, датчиком давления, многофункциональным индикатором и с многоканальным АЦП, в свою очередь, соединённым с делителем частоты, соединённым с термостабилизированным кварцевым генератором и с разъёмом для подключения кабеля синхронизации, при этом также внутри корпуса размещён блок питания, соединённый через нормально замкнутый геркон и размыкатель питания с микроконтроллерным блоком управления и с аккумуляторной батареей, плюсовой вывод которой соединён с встроенным АЦП микроконтроллера микроконтроллерного блока управления, при этом все элементы микроконтроллерного блока управления регистратора, кроме цифрового вольтметра, нормально-замкнутого геркона и многофункционального индикатора, помещены в дополнительный теплоизоляционный блок.