Устройство для измерения глубины залегания термоклина Советский патент 1986 года по МПК G01K7/00 G01K3/02 

Изобретение относится к океанологии и предназначено для определения глубины перепада температуры на границе между верхним однородным слоем океана и термоклином и может быть использовано и в других областях для определения места изменения пространственного градиента температуры. Целью изобретения является повыше ние разрешающей способности и точности измерения глубины залегания термоклина. На фиг, 1 представлена структурна схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - вариант выполнения устрой ства при модуляции погонного сопротивления проводов петлевой укладкой; на фиг. 3 - показана эквивалентная принципиальная схема возможного варианта выполнения измерительного мос та, источника питания и блока преобразования сигнала; на фиг. 4 - графи ки, объясняющие принцип работы устройства. Устройство содержит п измерительных мостов 1 (i- , п), блок 2 питания мостов, п блоков 3 преобразовани сигналов разрядов кода глубины залегания термоклина и регистратор 4. Дл примера на фиг. 16 показана структур ная схема устройства, имеющего три измерительных моста, три блока преоб разования сигналов и рассчитанного н измерение 2 8 уровней глубины термо клина. Каждый из измерительных мостов I; содержит четыре распределенных термопреобразователя 5, 5, 5 и 5, имеющих максимальную длину, равную диапазону измеряемых глубин,, свитых в общий жгут и промодулирован ных по погонным коэффициентам температурной чувствительности в соответствии со значениями функций Радемахе ра на диапазоне измерения следующим образом. Графики функций Радемахера г., 1 1, п+Г на примере , показаны на фиг. 1а. Функция Г4 использует ся сдвинутой на четверть периода впе ред, она показана как т. Для первых 5, и третьих термопреобразователей во всех мостах I; коэффициенты температурной чувствительности имеют максимальное значение на тех участках шкалы, где сдвинутая на четверть периода вперед (11+1)-я функция Радемахера (на примере Г4) имеет отрицательные значения и (1+1)-я функция Радемахера (на примере г, , ,3) имеет положительное значение. Для вторых 5 и четвертых.5, термопреобразователей во всех мостах 1 , коэффициенты температурной чувствительности имеют максимальное значение на тех участках шкалы, где сдвинутая на четверть периода вперед (п+1)-я функция Радемахера (на примере г4) имеет положительные значения и (п+1 )-я функция Радемахера па примере Г;.1,3) имеет положительное значение. На структурной схеме устройства (фиг. 1б) участки термопреобразователей с высоким коэффициентом температурной чувствительности показаны распределенными резисторами. Модуляция коэффициента температурной чувствительности может осуществляться заменой материала, изменением сечения провода или спиральной укладкой провода. Входы термопреобразователей 5j выведены на одну сторону жгута и соединены последовательно для образования мостов таким образом, что входами питания являются общие точки первого 5 и четвертого 5, второго 5 и третьего 5 термопреобразователей, а выходами моста являются обшяе точки первого 5, и второго 5, третьего 5 и четвертого 5 термопреобразователей. . Измерительные мосты 1; предназначены для преобразования пространственного положения максимального изменения вертикального градиента температуры в двоичный код. Входы питания мостов 1 параллельно поданы на выходы блока 2 питания, а выходы каждого из мостов соединены с входом .отдельного блока 3 преобразования сигнала. Блок 2 питания может быть постоянного, переменного или импульсного.тока, к которому особых требований (кроме достаточной мощности) не предъявляется. Блоки 3 преобразования сигнала служат для усиления сигналов с выходов измерительных мостов и преобразования их в форму, пригодную для регистрации в блоке 4. Реализация блоков 3 зависит от конкретного использования устройства и вида энергопитания мостов Ij . в частности при питании мостов постоянным или импульсным током блоками 3 могут быть дифференциальные усилители постоянного тока. положительные и отрицательные сигнал на выходе которых соответствуют значению 1 разрядов двоичного кода глубины, а нулевые сигналы - значениям О. Если блоки 2 питания переменного тока, то блоки 3 реализуются как фазовые дискриминаторы. В качест ве регистраторов 4 могут использоваться блоки оперативной памяти или долговременные запоминающие устройст ва с бумажными или магнитными носите лями. Один из возможных вариантов реализации распределенных термопреоб разователей 5; с модуляцией погонно го сопротивления петлевой укладкой проводов показан на фиг. 2. Благодаря петлевойукладке проводов на участках максимальной термочувствительности уложено шесть проводов по сравнению с двумя проводами на других участках, что эквивал/ентно повышению погонного сопротивления и коэф фициента термочувствительности. Принципиальная схема варианта исполнения тракта выработки одного раз ряда кода, включающая измерительный мост 1;, источник 2 питания и дифференциальный усилитель 6 в качестве блока 3 преобразования сигнала показана на фиг. 3.. Устройство работает следующим образом. Жгут термопреобразователей 5,: располагается вертикально вниз в верхнем слое океана. Термопреобразователи 5 одновременно воспринимают J температуру воды. Если температура по всей длине одинакова, то всэ из-, мерительные мосты 1- уравновевдены и сигналы на их выходах равны нуЛю. Разберем случай типичного вертикального профиля температуры в верхнем слое океана. График такого профи ля температуры, характеризующийся участками однородного слоя , j, верхней границей термоклина j, j+lj и термоклином j + l , j+2 показан на фиг. 4а. Приведенные на графике интервалы j будем рассматривать равными делениям шкалы глубин и разрешающей способности устройства. В лределах каждого деления будем рассматривать четыре (,4) равных по размеру малых деления, темпе атуру на каждом из которых осредним Qj . Осредненный. на j9 делениях црофиль температуры 8:, (Z) показан на фиг. 4б. Определим вторую производную про филя температуры на j-oM делении шкалы в конечных разностях как 0;(6j.-Sj,b(j4-6j.i Из графика 9j (Z), показанном на фиг. 4в, видно, что величина второй производной температурного профиля имеет максимальное отрицательное значение на Гj , j + участке, соответствующем верхней границе термоклина и близка к нулю на других участках. Величина В; (Z) является полезным сигналом, который выделяется термопреобразователями и измерительными мостами устройства, выполняющими операцию согласно выражению (1 Г. На четыре малых Деления в пределах одного, например, j, j-lj деления шкалы приходится один целый чувствительный участок термопреобразователей 5,, , занимающий два средних малых деления шкалы, и две половины чувствительных участков термопреобразователей 5,- , занимающих крайние малые деления шкалы. Такое расположение чувствительных участков термопреобразователей из смежных плеч мостов обеспечивает выполнение операции вычисления ВТ орой производной градиента температуры по глубине по выражению (1). Действительно, сопротивления .термопреобразователей на этих участках, обозначенные как Rj,, R j,, Rjj , Rj3 Rj4 (фиг. 4г) пропорциональны средним температурам Q.,. соответствующих. слоев воды, поскольку Rj,-Ro(,) При включении R:,+R: в одно плечо J J а Rji+Rjj в смежное плечо моста, моста, сигнал на выходе моста будет приближенно пропорционален разности сопротивлений плеч, т.е. /о UKRj.Rj3l-(Rj,«j.(6j.-6j,l-(§jr6j3). аким образом, в пределах любого деения шкалы глубин вырабатывается игнал, характеризующий наличие измеения градиента температуры по глубие, т.е. неравенство нулю второй прозводной по функции температурного рофиля. Б общем случае полярность, игнала соответствует знаку второй роизводной и, следовательно, может лужить показателем температурной

S1

viHBepcHH. Однако сигналы от различных чувствительных участков на разных делениях шкалы глубин каждого термопреобразователя 5 осредняются и выходной сигнал измерительного моста будет соответствовать их алгебраической сумме. Поскольку.для типовых температурных профилей характерно наличие одного максимального перепада температуры на верхней границе термоклина и изменчивость градиентов на других участках существенно меньп1е по величине и может иметь разные знаки, то полезные сигналы на выходе термопрсобразователей 5; сформируются от одного и того же у (астка профиля температуры. На фиг. 4д показаны графики возрастания от глубины сопротивлений Rjj- и термодатчиков 5,( и 5; при конкретном профиле температуры па фиг. 4а. Из графиков видно (фиг. 4д), чтб начиная с деления (j+l) сопротивление E становится больше, чем вызвано максимальным изменением градиента температуры & (Z) на этой глубине, соответствующей глубине залегания термоклина , Средние значения сопротивлений R,j и термопреобразователей 5,, и 5 в пределах делений шкалы по глубине показаны на фиг. 4е, а их разность uR: - на фиг. 4ж. Из графика второй производной температуры Э&(32 по глубине на фиг. 4з видно, что функция iRj(Z) согласуется с функцией Z , т.е. максимальный сигнал разности сопротивлений плеч моста возникает на верхней границе термоклина. Измерительные мосты 1; , чувствительные элементы преобразователей которых вторично промодулированы по глубине в соответствии с (i+ +1) функциями Радемахера, формирующими маску двоичного позиционного кода воспринимают сигнал максимального из менения градиента температуры на глубине его возникновения и преобразуют эту глубину в параллельный двоичный код. Двоичньй код результата преобразования параллельно поступает на вход регистратора 4 или в канал передачи данных.

706

Преимуществом предлагаемого устройства является высокая чувствительность и точность измерения непосредственно в цифровом виде глубины залегания термоклина при отсутствии дистанционной электронной аттаратуры по глубине и простой аппаратуре формирования выходных сигналов.

Формула изобретен, ия

Устройство для измерения глубины залегания терноклинаэ содержащее бло регистрации, блок питания, блок преобразования и распределенные проводные термопреобразователи с переменным погонным коэффициентом тврмочувствительности,, причем выход блока преобразования подключен к входу блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и точности измерения температурного профиля, в него введены дополнительные распределенные проводные термопреобразователи, включенные в п-мостовых схем, одна диагональ которых подключена

к входу соответствующего блока преоб /

разования, а другие диагонали подключены параллельно к выходу блока питания, причем первое и третье плечи мостовой схемы выполнены дискретно изменяемыми по длине и соответствуют

о („ .), при rjj) l

, при )- . а второе и четвертое плечи

л .), при r(n+l,j)-H p..4v. при rMn+l,j)-l

где ), ) - значения нормальной и смещенной на четверть периода функций Радемахера для мостовой схемы .

01 01 фиксированные значения погонного сопротивления провода, причем Rp| Кд2 ;

об - коэффициент тармочувствительности материала;

р(г1 j) погонный коэффициент термочувствительности п-й мостовой схемы и J-й функции Радемахера

5ii S,2 ffj ffi, 521 Szz 523 Szif 5з1 5з2 5зз 5з«

IILI L.I

Put. 2

)

Изобретение относится к океано7 логии и может быть использовано для . определения места изменения пространственного градиента температуры. Цель изобретения - повьшение разрешающей способности и точности измерения залегания термоклина. Жгут термопреобразователей располагается вертикально вниз в верхнем слое океана. В пределах любого деления шкалы глубин вырабатывается сигнал, характеризующий наличие изменения градиента температуры по глубине, т.е. неравенство нулю второй производной по функции температурного профиля. В общем случае полярность сигнала соответствует знаку второй производной и может служить показателем температурной инверсии. Сигналы от различных чувствительных участков на разных делениях шкалы каждого термопреобразователя, осредняются и выходной сигнал измерительного моста будет соответствовать их алгебраической сумме. Полезс @ ные сигналы на выходе термопреобразователей сформируются от одного и того (Л же участка профиля температуры. Измес рительные мосты воспринимают сигнал максимального изменения градиента температуры на глубине его возникновения и преобразуют эту глубину в параллельньй двоичньш код, поступающий на вход регистратора. 4 ил.