ЗОНДИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2024 года по МПК G01V11/00 G01N1/16 

Предлагаемое техническое решение относится к сфере океанографических исследований, а именно - к гидрофизическим измерениям с помощью CTD-зондов. CTD-зонды - океанографические приборы, используемые для измерения электропроводности, температуры и давления морской воды, поэтому обозначение "CTD" представляет собой аббревиатуру английского выражения "Conductivity, Temperature and Depth" (проводимость, температура, глубина). Обычно CTD-зонды встроены в розетту с набором батометров и позволяют получать в процессе зондирования профили вертикального распределения температуры и электропроводности (солености), с одновременным контролем глубины погружения, как производной от величины изменения давления.

Как правило, датчики всех трех параметров вместе с устройствами сбора информации размещены в едином прочном корпусе зонда. При необходимости, в комплектацию зондов могут входить датчики и других параметров (например, гидрохимических), а также прочие измерители и дополнительное оборудование (например, датчик касания дна, альтиметр и т.д.). При размещении дополнительной аппаратуры, значительно возрастает количество получаемой информации, и в этом случае CTD-зонд рассматривается как зондирующий комплекс.

Изобретение относится к автономным зондирующим комплексам, совершающим вертикальное перемещение в толще воды, за счет вытравливания/выборки тягового троса судовой лебедкой. Комплексы работают от аккумуляторной батареи и осуществляют замеры параметров, с размещением информации в накопителе, а также выполняют отбор морской или пресной воды в батометры розетты. Изобретение может быть использовано в качестве глубоководного зондирующего комплекса, осуществляющего не только отбор проб воды при вертикальном погружении путем закрытия батометров по команде системы управления, с учетом показаний датчика давления, но и замеры многих гидрофизических и гидрохимических параметров с сохранением данных в накопителе информации. Это позволит проводить измерения вертикальных профилей различных параметров водной среды (температуры, давления, солености, скорости и направления течения, содержания растворенного кислорода и др.).

Зондирующий комплекс может выполнять экологический мониторинг. Например, он может дополнительно комплектоваться аппаратурой для исследования биофизических характеристик, описывающих водную экосистему:

- биолюминесценции, т.е. интенсивности биолюминесцентного излучения организмов;

- фотосинтетически активной радиации (ФАР);

- концентрации хлорофилла;

- концентрации общего взвешенного вещества.

Способность проводить мультипараметрические исследования в толще воды, совершая одновременно отбор проб в батометры, делает зондирующий комплекс ценным инструментом для проведения научных исследований.

Предлагаемое техническое решение позволяет легко выполнять модернизацию комплекса под требования любой комплектации за счет размещения системы управления комплексом и групп измерительных датчиков с элементами питания в отдельных корпусах, передачей информации, полученной датчиками, по беспроводной связи.

Как правило, при размещении всей аппаратуры в общем корпусе, последний изготавливается под конкретное число и размеры датчиков. Фактически герметичный корпус с аппаратурой представляет собой зонд.

Однако для каждого варианта исполнения комплектация приборной части зонда может быть различной. Поэтому для каждой комплектации необходимо разрабатывать и изготавливать новый корпус.

Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение возможности построения зондирующего комплекса по модульному принципу, позволяющему комплектовать измерительную часть устройства необходимым набором датчиков для решения определенной задачи.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области морской техники, а именно к гидрологическим приборам для взятия проб воды с различных глубин морских и пресноводных водоемов, и снятия гидрофизических и гидрохимических показателей при вертикальном погружении. Техническое решение может быть использовано, для модернизации при изготовлении новых CTD-зондов и зондирующих комплексов.

Автономные CTD-зонды, сопряженные с батометрической кассетой, обеспечивающие отбор проб воды, и замеры гидрофизических и гидрохимических параметров, с размещением информации в накопителе - широко применяемая техника. Подобные устройства востребованы в океанологии, гидрологии и других научных исследованиях.

Существует несколько видов зондов.

Кабельные зонды используют кабель-трос для своего электропитания и передачи данных о параметрах среды и другой информации на бортовое устройство. В ранних моделях CTD-зондов эти данные передавались в аналоговом виде (изменение напряжения, тока или частоты) по многожильному кабель-тросу. В настоящее время данные измерителей преобразуются в последовательный код и далее в цифровом виде передаются на бортовое устройство обработки и хранения информации. В качестве линии связи применяется одножильный кабель-трос. Если на тросе закреплено несколько разных, устройств, то в этом случае может использоваться многожильный кабель-трос. Главным достоинством кабельных зондов является возможность наблюдения за изменением измеряемых величин в реальном масштабе времени. В особенности это важно для совместной работы зонда с кассетой батометров, когда требуется выбор горизонтов отбора проб непосредственно во время зондирования.

Автономные зонды получают электропитание от внутренних аккумуляторов или батарей, при этом результаты измерений регистрируются в запоминающем устройстве для последующего считывания на борту судна. Благодаря развитию цифровой техники и созданию недорогих твердотельных устройств памяти большого объема, этот тип зондов в последнее время получил широкое распространение. Важным преимуществом автономных зондов служит то, что обычные тросовые лебедки значительно дешевле кабель-тросовых, как по стоимости самого агрегата, так и по затратам в эксплуатации. Поэтому выполнение зондирования с помощью обычной тросовой лебедки делает целесообразным использование автономных зондов на судах, не предназначенных для научных исследований. Причем в морских условиях автономные зонды практически не нуждаются в специальном обслуживании. Особенно востребованными такие зонды стали на судах, используемых для попутных исследований, когда прикомандированный научный сотрудник может работать с зондом, используя штатную судовую тросовую лебедку. Для работы с этим оборудованием обычно не требуется многочисленный персонал и, в зависимости от комплектации, достаточно 1-2 человек. Автономные зонды часто используются на судах, не оборудованных кабель-тросовыми лебедками, но используемых для ведения исследований.

Для автономных зондов важен режим зондирования, когда важную роль играет экономичность электропитания. Выполнение этого условия требует специальной элементной базы, а также соответствующего подхода в выборе датчиков и схемных решений. При этом, большое значение имеет дискретность измерений, т.е. частота опроса датчиков при режиме зондирования. В зависимости от поставленной задачи, период опроса может быть в пределах от долей секунд до секунд и десятков секунд. При автономном режиме работы все электронные компоненты обеспечивают минимальное энергопотребление. В настоящее время автономные зонды как правило имеют устройство управления, включающее микропроцессор с внутренним таймером, которые являются ядром функциональной схемы - системы управления. Зонды подразделяются по уровням точности, которые имеют соответствующие степени конструктивной сложности базового прибора и вариантов комплектации.

Автономные зонды могут комплектоваться дополнительными датчиками и батометрическими кассетами. Количество датчиков и их функциональная принадлежность зависят от характера решаемой задачи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна конструкция универсального буя (RU 130946; МПК В63В 22/00, G01V 11/00; "Универсальный буй для мониторинга акваторий" 2013). Буй содержит:

- герметичный корпус-контейнер, в котором размещены блок измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок управления, блок приема-передачи информации, блок электропитания;

- систему всплытия-погружения, соединенную с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры;

- блок измерителей параметров воды, включающий датчики электропроводности и температуры;

- электрохимический детектор из ионоселективных датчиков и импульсный детектор радиационного анализа;

- датчик затекания, подключенный к блоку управления и размещенный внутри корпуса.

Известное решение имеет ряд недостатков.

При необходимости комплектации буя новыми датчиками или приборами понадобится разработка нового корпуса, что означает изготовление нового зонда. Это связано с тем, что датчики, приборы и аппаратура буя размещены внутри прочного корпуса. За пределами прочного корпуса, в воде, размещены чувствительные элементы датчиков, причем подключение к аппаратуре управления выполнено посредством кабелей. Для этого в стенках корпуса установлены фланцы с герметизацией мест размещения датчиков на корпусе и прохода кабелей через корпус. Учитывая эти обстоятельства, модернизация буя невозможна, и для иной комплектации измерительной части понадобится разработка и изготовление нового корпуса.

Известна конструкция зонда (RU 2642677; МПК В63В 22/00, B66D 1/39, B66D 1/60; "Подводный лебедочный зонд" 2018). Зонд содержит: корпус с комплексом измерительных приборов; систему приема-передачи информации с аппаратурой радиосвязи; систему управления; систему электропитания; систему всплытия-погружения, оснащенную лебедкой, к барабану которой, одним концом прикреплен несущий трос, соединенный другим концом с неподвижной или подвижной опорой в воде так, что при разматывании несущего троса с барабана зонд двигается в направлении вверх от опоры под действием собственной положительной плавучести, а при наматывании несущего троса на барабан зонд двигается к опоре.

Известное решение имеет ряд недостатков:

- система приема-передачи информации с использованием радиосвязи применяется для обмена сообщениями между бортовой аппаратурой и устройством управления зонда при его всплытии; взаимодействие датчиков и приборов с устройством управления отсутствует;

- все блоки зонда плотно размещены внутри герметичного корпуса на своих уникальных посадочных местах, что не позволяет, при необходимости, варьировать набор измерительных датчиков.

Известна конструкция CTD-зонда типа SBE 19plus фирмы Sea-Bird Electronics (США) с датчиками давления, температуры, электропроводности, кислорода, мутности, флуоресценции и водородного показателя (Manual Version # 021, 09/19/14; Sea-Bird Electronics, Inc. 13431 NE 20th Street Bellevue, Washington 98005, USA, www.seabird.com).

Отбор проб воды, для определения других гидрохимических показателей и загрязняющих веществ, выполняется с помощью батометров, установленных в систему "Розетта". Последовательность работы системы Розетта подробно рассмотрена в US 4852413 A; МПК G01N 1/10; "Розетта для отбора проб воды"; 1988.

В известной конструкции используется розетта типа SBE 32 фирмы Sea-Bird Electronics, объединяющей CTD-зонд и розетту с количеством батометров от 12 до 24 штук, в единый зондирующий комплекс, снабженный спусковым устройством.

В аспекте предлагаемого технического решения конструкция данного зондирующего комплекса рассматривается как прототип.

Комплекс, в зависимости от комплектации, позволяет регистрировать с высокой точностью такие параметры среды как: температура, соленость, давление, содержание растворенного кислорода, флюоресценцию хлорофилла "А", рН, мутность. Оборудование может использоваться в комплекте с тросовой лебедкой, с автономным питанием и сохранением данных на внутреннюю память накопителя.

Корпус CTD-зонда представляет собой цилиндрическую обечайку с двумя фланцами. На одном фланце размещены выводы частей датчиков, которые непосредственно контактируют с водой, на втором герметичные разъемы, соединенные кабелями с внешними датчиками.

Известному техническому решению присущи недостатки, заключающиеся в том, что:

- при изменении комплектации зонда дополнительными датчиками и приборами, возникнет необходимость конструкторской разработки размещения аппаратуры внутри корпуса и изменение формы и размеров корпуса (фланцев), что означает разработку и изготовление нового зонда;

- большое количество отверстий в прочном корпусе требует компенсации прочности в виде утолщения фланцев, следствие этого - увеличение массы и габаритов корпуса.

- кабели для подключения внешних датчиков и приборов, затесняют пространство и занимают свободное место возле зонда.

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

Задачи, решаемые при реализации предлагаемого технического решения:

- обеспечение возможности оснащать комплекс новыми устройствами без переделки прочного корпуса;

- экономия энергии автономных источников питания;

- упрощение информационного обмена устройства управления с измерительной частью комплекса, а также между зондирующим комплексом и бортовой аппаратурой.

Решение указанных задач достигается:

- размещением системы управления, с блоком питания, накопителем, в отдельном корпусе, и размещением всех датчиков и измерительных приборов по модульному принципу, например, на месте батометра в батометрической кассете, каждый в отдельном корпусе со своим элементом питания.

- применением беспроводной связи, обеспечивающей связь между датчиками и блоком управления за счет использования современных беспроводных технологий.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемом техническом решении сформулированы основные отличительные признаки зондирующего комплекса.

Зондирующий комплекс для измерения параметров окружающей среды и отбора проб жидкостей в сопряженную батометрическую кассету, содержащий несущую раму; систему управления, в виде электронных блоков, оснащенных программным обеспечением, размещенную в герметичном прочном корпусе, управляющую спусковым механизмом батометров, сбором, обработкой, расшифровкой и передачей информации в накопитель и автономный источник электрического питания; измерительные приборы с датчиками, например, давления, температуры, герметично размещенными в корпусе; батометры; спусковое устройство батометров; грузонесущий трос.

Система управления, и измерительные приборы с датчиками, размещены в отдельных герметичных корпусах, которые оснащены индивидуальными элементами питания, радиомодулями и антеннами, а информационный обмен измерительных приборов с системой управления осуществляется по беспроводной связи, например, на базе протокола LoRaWAN.

Измерительные приборы с группами датчиков размещены между батометрами в кассете.

Признак: "система управления, и измерительные приборы с датчиками, размещены в отдельных герметичных корпусах, которые оснащены индивидуальными элементами питания, радиомодулями и антеннами", позволяет все блоки системы управления разместить в отдельном корпусе, который не потребуется дорабатывать при изменении комплектации.

Признак: "информационный обмен измерительных приборов с системой управления осуществляется по беспроводной связи" позволяет системе управления комплекса непрерывно, с заданной дискретностью, получать информацию с датчиков и приборов.

Признак: "на базе протокола LoRaWAN" позволяет системе управления получать короткие сообщения с измерительных приборов и экономить заряд элементов питания.

Признак: "измерительные приборы с группами датчиков размещены между батометрами в кассете" позволяет оптимально расположить датчики на раме комплекса.

Реализация изобретения позволяет получить следующий технический эффект:

- упростить модернизацию или изменение состава комплекса, которая будет заключаться в размещении на несущей раме комплекса необходимого количества измерительных приборов без прокладки новых кабельных линий;

- сократить количество отверстий в прочном корпусе зондирующего комплекса;

- обеспечить экономию заряда элементов питания автономного комплекса за счет считывания информации устройством управления с датчиков и приборов посредством беспроводной технологии, например, LoRaWan, обеспечивающей передачу данных с низким энергопотреблением.

Таким образом, у зондирующего комплекса, появляются новые свойства:

1. Комплектация зондирующего комплекса теперь заключается в размещении вне прочного корпуса нужного количества измерительных приборов, поддерживающих беспроводную технологию, например, LoRaWan.

2. Экономия заряда элементов питания, за счет применения современной беспроводной технологии, использующей короткие сообщения.

3. Минимизируется число отверстий в прочных корпусах элементов зонда, за счет исключения разъемов и кабелей для подключения датчиков и приборов.

4. Уменьшается толщина прочных корпусов, т.к. отпадает необходимость усиления конструкции в местах нахождения отверстий.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение имеет отличительные признаки от прототипа, новое конструктивное выполнение элементов и новые связи между элементами, и поэтому соответствует критерию "новизна".

Приведенные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных решениях, и не являются суммой этих свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение иллюстрируется чертежами, (Фигура 1-Фигура 2), где: Фигура 1 - отображает зондирующий комплекс в разрезе. Фигура 2 - отображает зондирующий комплекс в 3D изображении.

1. Герметичный прочный корпус устройства управления.

2. Редуктор спускового устройства батометров.

3. Двигатель спускового устройства батометров.

4. Электронные блоки устройства управления.

5. Датчик давления.

6. Накопитель информации.

7. Аккумуляторная батарея.

8. Антенна устройства управления.

9. Батометр.

10. Блок базовой станции (шлюз) беспроводной связи.

11. Блок сетевого сервера.

12. Блок сервера приложений.

13. Антенна измерительного прибора.

14. Корпус измерительного прибора.

15. Группа датчиков.

16. Элементы питания.

17. Держатели корпуса измерительного прибора.

18 и 19. Элементы крепления тягового троса к несущей раме.

20. Трос тяговый.

21. Несущая рама.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Зондирующий комплекс (Фигуры 1 и 2), содержит: герметичный прочный корпус устройства управления 1, редуктор 2 и двигатель 3 спускового устройства батометров, электронные блоки устройства управления 4, оснащенные программным обеспечением. Датчик давления 5, накопитель информации 6, аккумуляторную батарею 7, антенну устройства управления 8, батометры 9, блок базовой станции (шлюз) 10, блок сетевого сервера 11, блок сервера приложений 12, антенну измерительного прибора 13, корпус измерительного прибора 14, группу датчиков 15, элементы питания 16, держатели корпуса измерительного прибора 17, элементы крепления тягового троса к несущей раме 18 и 19, тяговый трос 20, несущую раму 21.

Устройство работает следующим образом.

Зондирующий комплекс совершает вертикальное перемещение в водной среде за счет вытравливания-выборки тягового троса 20 судовой лебедкой. Трос 20 закреплен при помощи элементов крепления 18 и 19 на несущей раме комплекса 21. Устройства и блоки, размещенные в герметичном прочном корпусе 1, в совокупности, представляют собой устройство управления комплексом. Электронные блоки устройства управления 4 оснащены программным обеспечением, и в процессе погружения и всплытия комплекса осуществляют управление спусковым механизмом батометров 9, отслеживая заданную глубину погружения комплекса в соответствии с данными датчика давления 5, и давая команды на закрытие батометров на требуемой глубине.

Работа беспроводной связи рассмотрена на примере связи, использующей протокол LoRaWAN. Блок базовой станция (шлюз) 10, отслеживает эфир в заданном диапазоне частот, и когда получает запрос от датчика, то отвечает ему на частоте обращения. При этом максимальная скорость информационного обмена составляет около 5 килобит/с, что обеспечивает низкий расход энергии. При этом задача протокола LoRaWAN - максимально быстро и гарантированно передать небольшое сообщение от датчика на базовую станцию 10. В зависимости от радиоусловий, шлюз выбирает SF (spreading factor), оптимальный набор параметров связи, т.е. коэффициент, которому соответствуют параметры передачи и приема. SF - это целое число, в стандарте он предусмотрен от 12 до 7. Чем выше SF, тем лучше помехозащищенность линии, но тем ниже скорость и тем больше времени в эфире занимает передача. Сообщения принимаются базовой станцией 10, (в архитектуре LoRa - шлюзом). Обрабатывает пакеты следующее звено устройства управления - блок сетевого сервера 11. После обработки, информация датчиков передается в блок сервера приложений 12, где происходит расшифровка показаний от датчиков, и они передаются для записи в накопитель информации 6.

Датчики группы 15, своей чувствительной частью размещены в воде и герметично заделаны в торце корпуса 14, импульсные выходы датчиков соединены со своими радио модулями и общей антенной 13. Радиомодули измерительных приборов питаются автономно, от своей батареи 16. В сообщении радиомодуль измерительного прибора через антенну 13 передает необходимые данные: число импульсов, заряд батареи, показания и номер пакета. Блок сетевого сервера 11 отслеживает выход радиомодуля на связь, стабильность прохождения пакетов, уровень сигнала. Показания датчика, в удобной форме, передаются в накопитель информации 6.

Передающая антенна 13, транслирует сигналы измерительных приборов и находится на расстоянии менее метра от принимающей антенны 8 устройства управления. Это постоянное расстояние, которое не меняется при погружении и всплытии комплекса и позволяет осуществлять прием радиосигнала. Надежность передачи информации по протоколу LoRaWAN на близком расстоянии была проверена экспериментально. В ходе практических испытаний макета комплекса, при погружении на заданную глубину, были получены удовлетворительные результаты показаний датчиков, записанные в память накопителя информации, с использованием беспроводной связи.

После подъема зондирующего комплекса на поверхность, шлюз на борту судна, оснащенный радио модулем LoRa, по беспроводной связи, получает всю информацию о произведенных измерениях, с учетом времени, давления и температуры. При получении результатов измерений дополнительно передается информация о состоянии датчиков, величине заряда элементов питания, уровне сигнала. Непосредственный контакт с частями комплекса необходим только для слива проб из батометров и, при необходимости, для замены элементов питания.

На Фигуре 2 показано изображение зондирующего комплекса в 3D изображении. Зондирующий комплекс в указанной комплектации содержит: четыре измерительных прибора 14 и двенадцать батометров 9. Показанная комплектация наглядно показывает, что размещение приборов 14 между батометрами - оптимальное место для получения объективной информации об окружающей среде. Каждый прибор 14, с группами датчиков 15 предназначен для получения данных в своей области, например, для физических или биофизических характеристик окружающей среды.

Датчик давления 5, размещен в корпусе устройства управления 1, так как входит в любую комплектацию, отражая наиболее точную информацию о глубине погружения.

Изобретение относится к автономным зондирующим комплексам, осуществляющим замеры параметров водной среды и может быть использовано в качестве глубоководного зондирующего комплекса, осуществляющего не только отбор проб воды путем закрытия батометров по команде системы управления, но и замеры гидрофизических и гидрохимических параметров. Предложен зондирующий комплекс для измерения параметров водной среды и отбора проб жидкостей в батометры батометрической кассеты, содержащий несущую раму, батометрическую кассету, включающую батометры, систему управления, управляющую сбором, обработкой, расшифровкой и передачей информации в накопитель системы управления и спусковым механизмом батометров, а также измерительные приборы с датчиками давления и температуры. Система управления, измерительные приборы с датчиками давления и температуры, батометрическая кассета, включающая батометры, закреплены на несущей раме. Измерительные приборы с датчиками давления и температуры размещены между батометрами на несущей раме. Система управления и измерительные приборы с датчиками давления и температуры размещены в отдельных герметичных корпусах, которые оснащены индивидуальными элементами питания, радиомодулями и антеннами, а взаимодействие измерительных приборов с датчиками давления и температуры с системой управления осуществляется по беспроводной связи за счет шлюза беспроводной связи, блока сетевого сервера и блока сервера приложений, входящих в состав системы управления. Технический результат заключается в возможности оснащения зондирующего комплекса нужным набором измерительных приборов, размещаемых за пределами основного прочного корпуса, и поддерживающих беспроводную технологию, например LoRaWan, экономии ресурса элементов питания, за счет применения современной беспроводной технологии, уменьшении необходимой толщины прочного корпуса благодаря минимизации числа отверстий в прочном корпусе зонда за счет исключения разъемов и кабелей. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Зондирующий комплекс для измерения параметров водной среды и отбора проб жидкостей в батометры батометрической кассеты, содержащий несущую раму, выполненную с возможностью крепления на ней тягового троса судовой лебедки с элементами крепления, батометрическую кассету, включающую батометры, систему управления, управляющую сбором, обработкой, расшифровкой и передачей информации в накопитель системы управления и спусковым механизмом батометров, а также измерительные приборы с датчиками давления и температуры, причем система управления, измерительные приборы с датчиками давления и температуры, батометрическая кассета, включающая батометры, закреплены на несущей раме, причем измерительные приборы с датчиками давления и температуры размещены между батометрами на несущей раме, при этом система управления и измерительные приборы с датчиками давления и температуры размещены в отдельных герметичных корпусах, которые оснащены индивидуальными элементами питания, радиомодулями и антеннами, а взаимодействие измерительных приборов с датчиками давления и температуры с системой управления осуществляется по беспроводной связи за счет шлюза беспроводной связи, блока сетевого сервера и блока сервера приложений, входящих в состав системы управления.

2. Зондирующий комплекс по п. 1, отличающийся тем, что взаимодействие датчиков и системы управления осуществляется по беспроводной связи, использующей протокол LoRaWAN.