АВТОНОМНЫЙ ДРЕЙФУЮЩИЙ БУЙ ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА Российский патент 2024 года по МПК B63B22/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области гидрологии и предназначено для оперативных контактных систематических автономных наблюдений верхнего, в том числе подледного, слоя океана.

Уровень техники

Техническая проблема, решаемая изобретением, - создание надежного и эффективного долговременного средства оперативных контактных систематических наблюдений основных гидрологических характеристик верхнего, в том числе подледного слоя океана.

Для современного этапа гидрологических наблюдений характерны, с одной стороны, повышенное внимание к процессам и явлениям, происходящих в приповерхностном слое Мирового океана, с другой - дефицит океанографической информации. К настоящему времени по критериям климатического мониторинга и долгосрочного прогноза погоды не достигается даже уровень минимально достаточной плотности наблюдений открытых и особенно полярных регионов океана. Дефицит первичной информации негативно отражается на качестве гидрометеорологических прогнозов, вследствие чего прогностическая деятельность часто бывает малоэффективной. В силу названных причин становится очевидной актуальность задачи установления оперативного гидрологического мониторинга.

В последние два десятилетия основным источником систематической оперативной контактной информации о состоянии верхнего слоя океана и приводной атмосферы стали автономные дрейфующие платформы сбора данных - поверхностные дрифтеры. Данные передаются пользователям по каналам спутниковых систем связи Argos или Iridium. Начиная с 2008 г. в Мировом океане поддерживается постоянно действующая наблюдательная сеть из 1250 дрифтеров разных модификаций, что обеспечивает среднее пространственное разрешение 500 × 500 км.

Например, известен автономный дрейфующий буй (дрифтер) типа SVP-B [https://gdp.ucsd.edu/ldl/svpb/ (дата обращения 16.08.2023 г.)]. Дрифтер состоит из сферического герметичного корпуса положительной плавучести, в котором размещены элементы электропитания, измерительная, управляющая, телекоммуникационная аппаратура, и соединенного с корпусом посредством тросовой линии подводного паруса. Дрифтер SVP-B является базовым компонентом дрифтерной наблюдательной сети, однако, поскольку его информационные возможности как гидрологического средства наблюдений ограничены только мониторингом температуры поверхности моря, применение дрифтера с учетом современных требований оказывается малоэффективным.

Из существующего уровня техники известна автономная буйковая гидрофизическая станция (АБГС) [патент RU № 61245 U1 на полезную модель, опубл. 27.02.2007 Бюл. № 6], предназначенная для проведения долговременных наблюдений в океане. Такая АБГС может устанавливаться на тросе с помощью якоря в прибрежных районах и в открытом океане или дрейфовать в океане. АБГС оснащена «гирляндой» гидрофизических измерительных модулей, в состав которой могут входить датчики давления, температуры, электрической проводимости и т.д., фильтры, усилители, АЦП, адаптеры связи, коммутаторы, контроллеры и т.д. АБГС регулярно измеряет и передает полученные данные в центр обработки данных по радиоканалу, в том числе по спутниковому каналу связи.

Однако конструктивные особенности и значительные весогабаритные характеристики АБГС ограничивают ее применение в качестве заякоренной или дрейфующей платформы открытыми районами глубоководных акваторий, а также исключают возможность установки станции на лед для исследования подледного слоя океана. Технология постановки АБГС отличается высокой сложностью и требует значительных материальных и организационных ресурсов с привлечением большого количества высококвалифицированных специалистов и специальных судовых средств развертывания, что, с учетом значительной стоимости самой станции, существенно ограничивает возможность создания на её основе наблюдательной сети. Но главным недостатком является невозможность получения абсолютных значений солености - данные датчиков электропроводности, давления, температуры, которые входят в состав АБГС, позволяют вычислять лишь практическую соленость, зависящую только от ионного состава морской воды, в то время как абсолютная соленость является функцией концентрации всех растворенных в воде веществ [IOC, SCOR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of seawater - 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmental Oceanographic Commission, Manuals and Guides No. 56, UNESCO (English), 196 pp.].

Известен способ определения солености и плотности морской воды [патент RU № 2349910 С1 на изобретение, опубл. 20.03.2009 Бюл. № 8], в соответствии с которым осуществляют локальное измерение температуры воды на заданной глубине, возбуждают акустическое излучение и измеряют непосредственно скорость звука принятого акустического излучения с помощью импульсно-циклического ультразвукового измерителя скорости звука и по непосредственно измеренной на этой глубине скорости звука и температуре по соответствующим математическим выражениям находят соленость морской воды. Использование скорости звука в качестве аргумента для расчета солености позволяет преодолеть ограничения, связанные с гипотезой постоянства относительного химического состава морской воды, однако реализация способа основана на использовании импульсно-циклического измерителя скорости звука [Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -136 с.], метрологические характеристики которого не соответствуют требованиям к погрешностям гидрологических средств мониторинга, а позволяют лишь оценивать изменчивость контролируемых параметров. Кроме того, способ рассчитан на применение судового оборудования, что не позволяет создавать на его основе автономные, и, особенно, долговременные, системы оперативного мониторинга среды.

Прототипом заявленного технического решения является поверхностный дрейфующий буй - дрифтер, который в свободном дрейфе проводит измерения на поверхности водоема и/или в тонком приповерхностном слое [патент EP № 3554938 A1 на изобретение «Stokes Drifter», опубл. 23.10.2019 Бюл. 2019/43. URL: https://patents.google.com/patent/EP3554938A1/en (дата обращения: 16.08.2023)], состоящий из корпуса с положительной плавучестью, в котором расположены приемопередатчик системы глобального позиционирования для определения данных о местоположении, приемопередатчик беспроводной связи, источник электропитания, контроллер с энергонезависимой памятью, датчики для контроля электропроводности, давления, температуры и других параметров среды. Однако здесь также используется традиционный метод расчета солености по результатам прямых измерений электропроводности, не позволяющий оценивать абсолютную соленость исследуемой среды. Кроме того, биологическое обрастание и загрязнение используемых для измерений электропроводности первичных преобразователей приводит при долговременном автономном мониторинге к существенному увеличению погрешности определения солености [Validation of salinity data from surface drifters / G. Reverdin [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 4. P. 967-983. doi:10.1175/JTECH-D-13-00158.1], а существующие способы защиты от влияния этих факторов либо малоэффективны, либо экономически и энергетически слишком затратны. Отсутствие в прототипе функции вычисления вторичных гидрологических параметров, например, солености, по данным непосредственно измеряемых параметров, существенно ограничивает оперативность анализа получаемых пользователем результатов мониторинга. К недостаткам также следует отнести то обстоятельство, что датчики измеряемых параметров расположены на корпусе буя, вследствие чего мониторинг осуществляется только на приповерхностном горизонте, а полученные значения солености в значительной степени зависят от погодных условий, в частности, осадков [Near-surface salinity and temperature structure observed with dual-sensor drifters in the subtropical South Pacific / S. Dong [et al.] // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2017. Vol. 122, iss. 7. P. 5952-5969. doi:10.1002/2017JC012894].

Раскрытие сущности изобретения

Совокупность существенных признаков заявленного буя, в том числе - наличие измерительного модуля, расположенного на заданной глубине (или нескольких идентичных измерительных модулей, расположенных на соответствующих глубинах), в состав которого или которых входят измеритель температуры, измеритель гидростатического давления, высокоточный времяпролетный двухбазовый измеритель скорости звука и интерфейс, согласованно конфигурированный с интерфейсом модуля контроллера буя, обеспечивает получение новых технических свойств изобретения:

- устранение влияния на результаты измерений биологического обрастания и загрязнения используемых первичных преобразователей;

- наряду с оперативным, в режиме реального времени получением данных о контактных измерениях гидрологических параметров исследуемой среды (скорости звука, температуры и гидростатического давления), - возможность оперативного получения вычисленных абсолютных значений солености среды;

- возможность установки дрифтера на поверхность льда для мониторинга верхнего подледного слоя океана.

Указанные новые технические свойства обуславливают достижение технического результата изобретения: повышение точности и достоверности оперативного долговременного автономного систематического мониторинга гидрологических параметров водной, в том числе подледной, среды и их пространственного распределения.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется со ссылками на иллюстрации, на которых изображено:

фиг. 1 - структура (А) и внешний вид (Б) варианта исполнения заявленного гидрологического дрифтера - с измерительной линией, содержащей только один установленный на заданной глубине измерительный модуль с измерителями температуры, гидростатического давления и высокоточным времяпролетным двухбазовым измерителем скорости звука;

фиг. 2 - чертеж (А) и внешний вид (Б) измерительного модуля с измерителями температуры, гидростатического давления и высокоточным времяпролетным двухбазовым измерителем скорости звука;

фиг. 3 - постановка заявленного гидрологического дрифтера на лед в районе Северного полюса;

фиг. 4 - фрагмент полученных заявителем результатов мониторинга скорости звука и температуры (А) и график солености (Б), вычисленной по данным скорости звука и температуры;

фиг. 5 - структура (А) и внешний вид (Б) гидрологического дрифтера заявителя, который является эквивалентным одному из вариантов заявленного изобретения и предназначен для решения задачи оперативного долговременного мониторинга пространственного распределения температуры водной среды - с измерительной линией, содержащей множество идентичных модулей с датчиками температуры Т1 (2,0 м)…Т29 (100,0 м), установленными на номинальных горизонтах от 0,2 до 100 м;

фиг. 6 - примеры графиков распределения температуры в верхнем слое Черного моря, полученные заявителем с использованием модулей с датчиками температуры на горизонтах от 0,2 до 100 м в натурном эксперименте в Черном море в весенне-летний период.

Осуществление изобретения

Заявленный автономный дрейфующий буй для оперативного гидрологического мониторинга (гидрологический дрифтер) содержит (фиг. 1 А) герметичный прочный выполненный из заданного материала корпус 1 с заданной положительной плавучестью, в котором размещены модуль контроллера 2 со встроенной памятью и кронштейн 3 с приемником глобальных спутниковых систем навигации и антеннами модема приема и передачи данных и приемника систем навигации, магнитный выключатель 4 и элементы 5 системы автономного электропитания. На корпусе 1 установлен барометрический порт (баропорт) 6 измерителя атмосферного давления и датчик 7 температуры поверхности водной или ледовой среды. Корпус 1 снабжен узлом 8 электрического и механического сопряжения с измерительной линией 9, которая может нести или один, как это представлено на фиг. 1, расположенный на заданном горизонте измерительный модуль 10, или несколько расположенных на заданных горизонтах идентичных измерительных модулей 10.

Подключенный к измерительной линии 9 измерительный модуль 10 содержит (фиг. 2 А) прочный корпус 11 из нержавеющей стали с двумя фланцами 12 и 13. На внешней поверхности фланца 12 установлен штуцер 14 для соединения с измерительной линией 9, на внутренней - датчик 15 гидростатического давления. Ввод давления осуществляется через отверстие во фланце 12. На фланце 13 установлены несущая рамка 16 с измерительной базой 17, датчик 18 измерителя температуры, акустический преобразователь 19, электронный блок 20 высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука и контроллер 21, интерфейс которого согласовано конфигурирован с интерфейсом модуля контроллера 2. Измерительная база 17 выполнена из ситалла СО115М. В данном примере исполнения длина корпуса 11 модуля 10 составляет 172 мм, а длина всего модуля 10 - 335 мм.

Принцип действия высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука обеспечивает долговременную устойчивость метрологических характеристик дрифтера к загрязнению и биологическому обрастанию, а вычисленное по результатам прямых измерений скорости звука, температуры и гидростатического давления значение солености является функцией концентрации всех растворенных в воде веществ, а не только ионосодержащих соединений, как при использовании результатов измерений электропроводности, температуры и гидростатического давления.

На внутренней поверхности фланца 13 установлены две печатные платы, на которых размещены элементы электрической схемы модуля 10.

Корпус 1 (фиг. 1 А) представляет собой поверхностную плавучесть с наружным диаметром 380 мм и конструктивно выполнен из двух симметричных полусфер, изготавливаемых литьем из поликарбоната. Корпус собирается посредством болтового соединения полусфер через фланцы. Герметичность соединения обеспечивается резиновым кольцом круглого сечения, которое при сборке укладывается в пазы на фланцах. На внутренней поверхности полусфер отлиты стойки для крепления плат электроники. В верхней полусфере корпуса 1 имеется отверстие для установки баропорта 6, в нижней - для крепления узла 8 сопряжения с измерительной линией 9. Корпус 1 имеет запас положительной плавучести не менее 50% от водоизмещения штатно собранного дрифтера, обладает достаточной прочностью, обеспечивает продолжительность работы не менее 12 месяцев без нарушения механических свойств, в том числе, в полярных условиях эксплуатации, сохраняет герметичность в условиях воздействий поверхностного волнения, повышенных и пониженных температур окружающей среды, обеспечивает радиопрозрачность для функционирования антенны модема спутниковой связи и приемника глобальных навигационных спутниковых систем, устойчивость к УФ-излучению, технологичность сборки и разборки, надежное и герметичное крепление внешних элементов дрифтера.

Внутри корпуса 1 расположен диск из стеклотекстолита диаметром 370 мм, к нижней части которого крепится модуль контроллера 2 с измерительным преобразователем атмосферного давления и спутниковым модемом приема и передачи данных, к верхней - кронштейн 3 с приемником глобальных спутниковых систем навигации и антеннами модема приема и передачи данных и приемника систем навигации. Баропорт 6 установлен снаружи корпуса 1 на верхней полусфере, датчик температуры поверхности водной или ледовой среды - снаружи нижней полусферы корпуса 1.

Общая емкость элементов 5 системы автономного электропитания, которые расположены в нижней полусфере корпуса 1, обеспечивает работоспособность дрифтера в автономном режиме функционирования в течение не менее 12 месяцев.

Программно-вычислительная конфигурация модуля контроллера 2 дрифтера обеспечивает оперативное поступление пользователю, кроме информации о непосредственно измеряемых датчиками температуры, скорости звука и гидростатического давления гидрологических этим параметрам. Модуль контроллера 2 выполнен на печатной плате, на которой также размещены измеритель атмосферного давления и спутниковый модем приема и передачи данных. Контроллер 2 объединяет узлы информационно-измерительной системы дрифтера, определяет алгоритм сбора, первичной обработки и передачи данных и обеспечивает управление в соответствии с заданным алгоритмом измерителями, приемником глобальных спутниковых систем навигации, системой реального времени, модемом приема и передачи данных, промежуточное накопление и обработку первичной информации, подготовку данных для последующей передачи и др. В состав контроллера входят микропроцессор (микроконтроллер) со встроенной памятью программ и оперативной памятью, узлы интерфейсов для взаимодействия с внешними устройствами, программирования, калибровки и отладки измерительных каналов и т.д. Для применения в гидрологическом дрифтере контроллер оптимизирован по составу периферийных узлов, энергопотреблению, интерфейсам и встроенному программному обеспечению.

Измеритель атмосферного давления выполнен на основе датчика давления типа MS5534С (TE Connectivity) и состоит из кремниевого пьезорезистивного первичного измерительного преобразователя атмосферного давления, первичного измерительного преобразователя температуры, вторичного измерительного преобразователя атмосферного давления и температуры и микроконтроллера. Конструктивно датчик выполнен в виде микросхемы поверхностного монтажа и установлен на плате модуля контроллера в герметичном корпусе со штуцером для ввода давления.

Баропорт 6 (фиг. 1 А) выполняет функцию сопряжения измерителя атмосферного давления с атмосферой. Конструкция баропорта исключает прямой контакт датчика давления с водной средой при погружениях дрифтера и минимизирует влияние внешних воздействий (ветер, волнение, обрастание, обледенение и др.) на процесс измерения атмосферного давления.

Магнитный выключатель 4 состоит из герконового коммутатора электропитания, установленного с внутренней стороны нижней полусферы, и магнитной ленты. Выключенное состояние геркона обеспечивается магнитной лентой, размещенной с внешней стороны нижней полусферы.

Узел сопряжения 8 расположен в центральной части нижней полусферы корпуса 1 дрифтера и представляет собой неразъемный гермоввод с элементом механического крепления с измерительной линией 9.

Датчик 7 температуры поверхности водной или ледовой среды выполнен на основе цифрового измерителя температуры TMP107 (Texas Instruments) и установлен в нижней полусфере корпуса дрифтера.

Измерительная линия 9 обеспечивает электрическое и механическое соединение корпуса 1 и расположенной в нем электроникой с модулем 10 измерителей первичных гидрологических параметров, в качестве которых могут использоваться различные датчики, адаптированные к интерфейсам RS-232, RS-485, 1-Wire, SMAART.

Работает заявленное устройство следующим образом.

Гидрологический дрифтер устанавливается на поверхность воды или льда. Во втором случае (фиг. 3) перед постановкой во льду пробуривается отверстие, диаметр которого позволяет беспрепятственно пропустить через него измерительную линию с модулями измерителей первичных гидрологических параметров. Включение дрифтера производится путем отсоединения ленты магнитного выключателя от его корпуса.

После включения дрифтер в течение 1 ч работает в тестовом режиме, после чего переходит в циклический. В обоих режимах выполняются измерения атмосферного давления, температуры поверхности среды, параметров, измеряемых модулями, установленными в измерительной линии. В тестовом режиме производится инициализация приемника глобальных спутниковых систем навигации и встроенной системы реального времени, выполняются измерения и передача данных с интервалом 10 мин. Во время тестового режима возможна экспресс-проверка работоспособности дрифтера через систему приема и передачи данных. После окончания тестового режима дрифтер автоматически переходит в циклический режим работы. В этом режиме измерения и передача данных производятся с установленным интервалом времени. Дрифтер работает в циклическом режиме до его выключения или до полного израсходования энергии элементов электропитания.

По результатам измерений в модуле 10 скорости звука, температуры и гидростатического давления в контроллере 2 дрифтера по формуле, приведенной в [Allen J.T., Keen P.W. et al. A new salinity equation for sound speed instruments. Limnology and oceanography: Methods. 06, 2017. P. 1-11. doi:10.1002/lom3.10203], вычисляется значение солености, которое передается вместе с непосредственно измеренными параметрами.

На фиг. 4 показаны результаты натурных испытаний заявленного гидрологического дрифтера с измерительной линией с одним модулем измерителей скорости звука, температуры и гидростатического давления. Дрифтер был установлен на лед толщиной около 1 м (фиг. 3) в районе дрейфующей ледовой базы «Барнео», расположенной в непосредственной близости от Северного полюса. Модуль измерителей скорости звука, температуры и гидростатического давления дрифтера устанавливался через пробуренное во льду отверстие диаметром 80 мм. На фиг. 4 А показаны временные ряды результатов измерений скорости звука и температуры, на фиг. 4 Б - рассчитанный по этим данным временной ряд солености.

Для задачи оперативного мониторинга температуры водной среды в верхнем слое океана или распределения температуры может быть использован эквивалент заявленного изобретения (фиг. 5), который отличается от заявленных вариантов только тем, что измерительная линия 9 несет, соответственно, или один измерительный модуль 22, содержащий только датчик температуры, или несколько таких модулей 22 с датчиками температуры. Именно последний вариант, в котором датчики температуры установлены на номинальных горизонтах от 0,2 до 100 м: Т1 (2,0 м)…Т29 (100,0 м), представлен на фиг. 5 А. На конце измерительной линии закреплен балласт 23. На фиг. 6 показаны результаты натурного применения такого эквивалентного гидрологического дрифтера. Данные получены заявителем в Черном море в весенне-летний период.

Изобретение относится к области гидрологии и предназначено для оперативных контактных систематических автономных наблюдений верхнего, в том числе подледного, слоя океана. Дрифтер содержит корпус положительной плавучести с элементами системы автономного электропитания. Корпус выполнен из заданного материала и электрически и механически связан с измерительной линией, которая содержит один или несколько идентичных измерительных модулей, каждый из которых расположен на заданном горизонте и содержит высокоточный времяпролетный измеритель скорости звука, измеритель температуры среды, измеритель гидростатического давления и интерфейс, согласованно конфигурированный с интерфейсом модуля контроллера буя. Технический результат - повышение точности и достоверности оперативного долговременного автономного систематического мониторинга гидрологических параметров водной среды и их пространственного распределения. 6 ил.

Автономный дрейфующий буй для оперативного гидрологического мониторинга, содержащий герметичный прочный корпус положительной плавучести с элементами системы автономного электропитания, датчиками атмосферного давления и температуры поверхности водной или ледовой среды, спутниковым модемом приема и передачи данных с антенной, приемником глобальных спутниковых систем навигации с антенной, модулем контроллера буя со встроенной памятью, отличающийся тем, что корпус имеет запас положительной плавучести не менее 50% от водоизмещения штатно собранного буя, выполнен из заданного материала и электрически и механически связан с измерительной линией, которая содержит один или несколько идентичных измерительных модулей, каждый из которых расположен на заданном горизонте и содержит высокоточный времяпролетный двухбазовый измеритель скорости звука, измеритель температуры среды, измеритель гидростатического давления и интерфейс, согласованно конфигурированный с интерфейсом модуля контроллера буя.