Цифровая система измерения глубинного положения морской пьезосейсмографной косы Советский патент 1981 года по МПК G01V1/16 

части на цифровых элементах и узлах Эта система содержит в буксируемой части преобразователь давления в электрический сигнал, линию передачи последнего, а в бортовой части отсчетный и времязадающий блоки,из которых первый подключен к линии передачи и содержит последовательно соединение приемного счетчика,снабженного формирователем импульса сброса, накопителя и устройства регистрации, а второй - последователь нее соединение генератора опорной частоты, хронирующего счетчика и фop иpoвaт,eля длительности импульса 3,

Однако известная система также имеет недостаточную стабильность и точность, что обусловлено двуступенной конструкцией преобразователей, КЗ которых первая ступень преобразования давления в напряжение размещена в буксируемой части, а вторая ступень преобразования напряжения в частоту - в бортовой части.Вследствие этого системе также принципиально присущи погрешности и нестабильности первичного преобразования.

Цель изобретения - повышение точности и стабильности системы за сче дифференциально-разностного построения преобразователей с непосредственньтм преобразованием давления в механический -параметр (резонансную частоту автоколебательного звена) и введения в систему трех корректоров всей совокупности статических характеристик преобразователей (из них один механический корректор - в каждом преобразователе, а два электрических - в бортовой части) и общего вариатора разрешающей способности систег1ы (в бортовой части) .

Поставленная цель достигается тем, что в буксируемую часть систем ввелена линия синхронизации, разделенная совместно с линией передачи на отрезки, а каждый преобразовав тель состоит из дифференциального механического корректора крутизны преобразования с закрепленными в нем силочувствительными кварцевыми резонаторами, включенными в два автоколебательных контура, соединенных через вычитатель частот с сигнальным входом временного селектора пррчем импульсный выход последнего подключен через дизъюнктор к соседиго отрезкам линии передачи, а потециальный выход - к времязадающему , входу одновибратора, к запускаю1де 1у входу и выходу которого подключены соседние отрезки линии синхронизаци и управляющие входы временного селектора, а в бортовую часть системы введены вариатор разрешающей способности системы в виде коммутатора старших разрядов хронирующего счетчика, электрические корректоры начального смегчения и крутизнь; каждог преобразователя, оба выполненные в виде кодо-матричного ушЛратора с наборным полем, счетчик и дешифрато числа каналов, выходы которого подключены к кодовьм входам шифраторов а выходы последних к установочньм входам приемного и хронирующего счечиков, причем линия синхронизации соединена со стробирующим входом кадого шифратора, входом счетчика числа каналов и выходом формирователя длительности, имеющего дополнительн времязадающий вход, подключенный-к начальному выходу дешифратора.

Каждый механический корректор крутизны вьтолнен в виде полого цилиндра с одним из оснований в виде мембраны, между жестким центром которой и дном цилиндра находится образующая поверхность упругого кольца , имеющего на канодой плоскости сечения две диаметрально противоположные под взаимным углом 90°пары выступов, к которьм прикреплена периферийной областью поверхность кварцевого резонатора, причем угол поворота кольца в каждом корректоре установлен по равенству крутизны во всех преобразователях.

Каждый вычитатель частот выполнен в виде трех триггеров и инвертора, причем счетные входы двух триггеров соединены с выходом автоколебательного контура меньшей частоты, и входы установки нулевого состояния непосредственно и через инвертор - с .выходом контура большей частоты, а выходы соединены с установочными входами третьего триггера, выполненного на двух двухвходовых логических инверторах с перекрестными связями.

Каждый временной селектор выполнен в виде триггера, к установочным входам которого соответственно подключены пороговый временной дискриминатор и дифференциатор, а к вы.чоду - последовательное соединение конъюнктора и дизъюнктора,причём входы дискриминатора и дифференциатора служат управляющими входами врегменного селектора, его потенцисчльным выходом служит выход триггеру, сигнальным входом служит второй вход конъюнктора, а импульсным выходом служит выход дизъюнктора, второй вход которого объединен со входом дифференциатора.

Каждый автоколебательный контур выполнен в виде петли положительной обратной связи, включающей в себя импульсный усилитель и обкладки резонатора.

Кроме того. Формирователи импульса сброса и длительности импульса выполнены аналогичными соответстве.нно временному дискриминатору селектора и одновибратору, размещенным в преобразователях буксируемой части системы, а накопитель выполнен в виде сдвигающих регистров с цепями группового переноса разрядов

На фиг. 1 изображена укрупненная функциональная схема системы; на фиг. 2 - функциональная схема вычитателя частот и временного селектора; на фиг. 3 - временнне диаграммы работы временного селектора; на фиг. 4 - временные диаграммы работы вычитателя частот.

Система (фиг.1) состоит из буксируемой 1 и бортовой 2 частей.Буксируемая часть содержит преобразователи 3 давления в частоту, конструктивно оформленные в виде герметичной цилиндрической вставки внутрь полости шланга морской пьезосейсмографной косы, линию передачи частотных сигналов на борт, разделенную на отрезки 4, и линию синхронизации с борта, также разделенную на отрезки 5. Число отрезков соответствует числу преобразователей и кратно числу секций пьезосейсмографной косы. Каждый преобразователь имеет дифференциальный механический корректор б крутизны преобразования с закрепленньми в нем двумя силочувствительныг.1и кварцевыми резонаторами 7 и 8, два автоколебательных контура 9 и 10,схему 11 вычитания частот, временной селектор 12, одновибратор 13 с запускающими 14 и времязадаюшим 15 входами, а также двухвходовый дизъюнктор 16. Корректор 6 выполнен в виде полого цилиндра 17 с одним из оснований в виде мембраны 18,между жестким центром 19 которой и дно цилиндра находится внеыняя образующая поверхность упругого металлического кольца 20. Оно имеет на каждой плоскости сечения две диаметрально противоположные под взаимным углом 90 пары выступов 21, к котоЕ лм прикреплены (показано пунктиром периферийной областью поверхности кварцевых резонаторов 7 и 8. Угловое положение кольца 20 в каждом преобразователе по отношению к точкам опоры соответствует равенству крутизны во всех преобразователях с учетом необходимого начального ,выведения выходной частоты со схемы 11 вычитания за пределы полосы частот принимаемых сейсмосигналов.

Каждый автоколебательный контур 9 и 10 образован импульсньм усилителем, например в виде двух каскадов 22, между которыми включены конденсатор 23 и обкладки кварцевого резонатора 7 или 8. Выходы соответствующих каскадов 22 в контурах подключены ко входам 24 и 25 схемы 11 вычитания частот, а ее выход соединен с сигнальным входом 26 временного селектора 12, который кроме него имеет еще два управляющих входа 27 и 2В, а также два выхода (импульсный 29 и потенциальный 30), 5 первый из которых подключен ко входу дизъюнктора 16, а второй - к времязадающему входу 15 одновибратора 13. При этом соседние отрезки 5 линии синхронизации соединены в каждом

0 преобразователе с запускающим входом 14 и выходом одновибратора 13, а соседние отрезки 4 линии передачи соединены в каждом преобразователе с другим входом и выходом дизъюнктора 16. Управляющие входы 27 и 28 времен5ного селектора подключены параллельно соседним отрезкам 5 линии синхронизации.

Бортовая часть систег тел содержит времязадакяций блок в виде генера-to0 ра 31 импульсов опорной частоты, хронирующего счетчика 32, снабженного вариатором разрешающей способности системы в виде ко Ф1утатора 33 старших разрядов 34 этого счетчика, приемный счетчик 35,а также отсчетный блок, содержащий накопитель 36 и устройство 37 регистрацииi Хронирующий счетчик своим выходом подключен к запускающему входу 38

0 формирователя длительности импульса, выполненного на одновибраторе 39, аналогичного одновибратору 13 и имеющего времязадагощий вход 40. Приемный счетчик 35 подключен к линии

передачи, к которой через схему 41 импульса сброса соединена его цепь 42 сброса. Входы 43 и 44 установки начального состояния счетчиков 32 и 35 соответственно соединены с кодовыми выходами электрических корректора 45 крутизны каждого преобраэо- вателя и корректора 46 его начального смещения. Каждый корректор выполнен в виде кодо-матричного шифратора с наборным полем (условно

5 обозначены 47 и 4В), кодовые входы 49 которого подключены к выходам счетчика 50 числа каналов через дешифратор 51. При этом стробирувЫие импульсные входы 52 шифратора подключены к выходу одновибратора 39, времязадающий вход 40 которого подключен к начальному (соответствует первому каналу) выходу 53 дешифратора 51.

e

Для синхронной передачи измерений по каждому каналу глубины в устройство 37 регистрации цепь группового переноса сдвигающего накопителя 36 соединена с выходом

0 одновибратора 39. Контроль глубинного положения косы по всем каналам происходит по сигналу окончания мультиплексного кадра временного уплотнения, что осуществляется подключением начального выхода 53 дешифратора 51 к стробирующему входу 54 устройства 37 регистрации. При этом каждая схема 11 вычитания частот содержит три триггера из которых два (55 и 56) имеют счетные входы 57 и 58 и входы 59 и 60 установки нулевого состояния, а третий выполнен на двух логически инверторах 61 и 62 с перекрестными связями. Сигнальные входы 63 и 64 .третьего триггера подключены к инверсным выходам триггеров 55 и 56, счетные входы которых объединены и подключены к выходу автоколебательного контура меньшей из сравниваемы частот, входы 59 и 60 установки нулевого состояния соединены с выходо контура большей из частот непосредственно и инвертором 65. Каждый временной селектор 12 выполнен в виде триггера 66, ко входу 67 установки единичного состояния подключен пороговый временной дискр минатор 68, а ко входу 69 установки нулевого состояния подключен импуль снь1й дифференциатор 70 с инвертированием сигнала, а также двухвходово го конъюиктора 71,входы 72 и 73 которого подключен к выходу вычитател 11 частот и к выходу триггера 66. При этом входы дискриминатора и диф ференциатора служат управляющими входами 27 и 28 селектора, его поте циальным выходом 30 служит выход триггера 66, сигнальным входом 26 служит вход конъюнктора 71, а импульсным выходом 29 служит выход дополнительного дизъюнктора 74, входы которого подключены к выходу конъюнктора 71 и выходу дифференциатора 70. Система работает следугацим образом . В преобразователях 3 буксируемой части 1 системы давление жидкости внутри шланга посредством мембраны 1В преобразуется в усилие F, под действием которого перестраивается частота кварцевых резонаторов 7 и 8. Автоколебательные контуры 9 и 10, построенные по кольцевой усилительной схеме с положительной обратной связью,генерируют импульсные последовательности с частотой, равной fb плюс ил минус частотная девиация Af под де йствием усилия f. При этом знак плюс соответствует растягивающему усилию, а знак минус - сжимающему усилию. Девиации пропорциональна F ,без эффектов высшего порядка где Kj - 30,8 -10 с-м-Н - коэф фициент силовой чувствительности, зависящий от угла среза кварцевой пластины и относительного направления приложения силы; D - диаметр дисков резонаторов 7 и 8 ; 1 - 0,8... - понижающий фактор, связанный с конструкцией кристаллодержателя и видом его деформаций под действием усилия F. Благодаря расположению пар крепежных Выступов 21 на кольце (кристаллодержатеЛе) 20 под взаимным углом 90, усилие F передается с мембраны на резонаторы 7 и 8 дифференциально: резонатор 8 испытывает сжимающее усилие, а резонатор 7 -, растягивающее. Импульсные последовательности с выходов каскадов 22 в автоколебательных контурах 9 (фиг.4.2) и 10 (фиг.4.1) поступают соответственно на входы 24 и 25 цифрового Бычитателя частот, где происходит исключение начального уровня, частоты f и выделение удвоенной девиации частот 2Af. Вычитатель работает следующим образом. При подаче на счетные входь 57 и 59 триггерюв 55 и 56 импульсной последовательности меньшей частоты со входа 25 (фиг.4.1), а на их входы установки нулевого состояния 60 и 59 - импульсной последовательности большей частоты с другого входа 24 непосредственно и через инвертор 65 (фиг. 4.2 и 4.4), на входах fi3 и 64 вентилей 61 и 62 образуются две взаимно сдвинутые во времени последовательности импульсов переменной длительности (фиг.4.3 и 4.5).Благодаря параллельно-перекрестному соеди нению выходов и вторых входов этих вентилей, на выходе одного из них (61) образуется импульсная последовательность (фиг.4.6) с разностной частотой 2uf.являющаяся выходным сигналом вычитателя 11. Этот сигнал передается на вход 72 временного селектора 12, который управляется сигналами из бортовой части 2 системы. По линии 5 синхронизации на преобразователь 3 поступает последовательность синхронизируклдих импульсов , определяющая длительность и периодичность подключения частотноимпульсного выхода преобразователя к линии передачи данных. Признаком срабатывания временного селектора 12, коммутирующего выход схемы вычитания частот, является наличие в последовательности маркерных синхронизирующих импульсов, отличающихся от других большей длительностью (фиг.3.1). При поступлении маркера на вход 27 временного селектора по его заднему фронту срабатывает временной дискриминатор 68 (фиг.2), не реагирующий на синхроимпульсы с меньшей длительностью, и переводит триггер 66 в единичное состояние.

Сигнал логической 1 на выходе триггера 66 разрешает прохождение выходного сигнала схемы вычитания частот - через вход 72 конъюнктора 71 и далее через дизъюнкторы 74 и 16 в линию 4 передачи. С приходом следующего короткого синхроимпульса одновибратор 13 с логической 1 на времязадающем входе 15 формирует маркер, который передается по линии синхронизации на следую15ий преобразователь. Этот же маркер поступает на Вход 28 временного селектора данного преобразователя. Через дизъюнктры 74 и 16 он проходит в линию передачи, разделяя тем самым временные каналы передачи сигналов от разных преобразователей. Задним фронтом этого же маркера, выделяемого инвертирующим дифференциатором 7О,устанавливается в нулевое состояние триггер 66 (фиг.3.2). Вследствие этого частотный выход 26 схемы вычитания частот отключается от линии передачи конъюнктором 71. Одновременно на времязадаквдем входе 15 одновибратора 13с триггера 66 устанавливает ся логический О. При этом одновибратор с приходом на его запускающий вход 14 новых синхроимпульсов передает в следующую секцию линии синхронизации короткие импульсы (фиг.3.3). После окончания последовательного спроса всех преобразователей с боцтового устройства системы в линию синхронизации поступает маркер, начинающий новый цикл измерения Время опроса каждого преобразователя определяется интервалом времени между соответствующим ему и очередны синхроимпульсов, поступающих с бортовой части системы, первому преобразователю соответствует маркер,второму - следующий за ним короткий синхроимпульс, третьему - второй короткий синхроимпульс и т.д. Синхронизирукяцие интервалы зajElaютcя хронирунмдим счетчиком 32, выполненным в виде вычитающего счетчика. Вычитание содержимого счетчика происходит импульсами стабильной частоты генератора 31. Сигнал обнуления счетчика запускает одновибратор 39, формирующий непосредственно синхроимпульсы для линии синхронизации. Длительность синхроимпульсов зависит от состояния счетчика 50 канала, подсчитывающего количество синхроимпульсов. Для первого канала на времязадакиций вход 40 одновибратора с первого выхода дешифратора 51 счетчика каналов поступает сигнал логической 1, и на выходе одновибратора формируется маркер, а для всех остсшьных на входе 40 логический О, и одновибратор формирует короткие синхроимпульсы. Коммутатор i33, производя переключение старших разрядов хронирующего счетчика, делает возможным изменение разрешающей способности системы измерения в целом (например, ее загрубление с целью уменьшения времени опроса). Электрический корректор крутизны 45 предназначен для вторичной компенсации погрешностей установки крутизны каждого преобразователя механическими корректорами. С выходом его кодо-матричного шифратора на установочные входы хронируквдего

o счетчика поступают кодал интервалов измерения, устанавливаемые на наборном поле 47. Выходы дешифратора 51 коммутируют к установочньм входам хронирующего счетчика 32 код инSтервала измерения для преобразователя, соответствукицего состоянию счетчика 50 каналов. Занесение кода в счетчик 32 происходит по синхроимпульсу, поступающему на импуль.ный вход 52 кодо-матричного шифратора .

По линии 4 передачи в бортовую часть система подаются; частотноимпульсные сигналы отдельных каналов, разделенные между собой марке5рами . Преобразование в отсчетньлй код унитарного кода, определяемого количеством импульсов частоты, пропорциональной измеряемой глубине, за интервал измерения, происходит в при0емном суммирующем счетчике 35. Перед началом поступления данных любого из каналов в счетчик заносится обратный код начального смещения соответствующего преобразователя.Код

5 устанавливается на наборном поле 48 корректора 46 начального смещения. Синхронизация производится дешифратором счетчика 50 каналов и синхроимпульсами аналогично рассмотренной

0 коррекции крутизны в хронирующем счетчике 32. В результате суммирования частотно-импульсной последовательности с обратным кодом в приемном счетчике вычитается начальное смещение преобразователя из его те5кущего показания.

Поступающий в конце интервала измерения данного канала маркер выделяется схемой 41. Ее выходной сигнал переписывает с приемного счет0чика 35 в сдвиговые регистры накопителя 36 сформированный отсчетный код глубины и подготавливает счетчик к приему следующего канала. Сдвиговые регистры образуют буфер памя5ти на один цикл измерения и управляются синхроимпульсами. По окончании опроса всех преобразователей накопленные данные о глубине по сигналу с первого выхода дешифратора 51 счетчика каисшов поступают на устройстОво регистрации для визуального контроля и записи.

Полезный эффект в системе дости5гается следукицим образом.

Силочувствительные кварцевые резонаторы имеют спёциЛическую особенность, связанную с технологическим разбросом значений коэффициента в зависимости от случайного относительного смещения точек крепления периферийной области к выступам кольца, величины действительной площади закрепления по выступам характера деформации (растягивающа или сжимающая) и т.д. Это вызывает погрешности типа начального смещени частоты на выходе вычитателя 11 и неодинаковости крутизны преобразования отдельных преобразователей.По3TONiy первичное уравнивание крутизны производится при сборке преобразователей 3 за счет введения дифференциального механического корректора в виде поворотного кольца внутри полого цилиндра между его мембранной крьшкой и дном. При этом угловое положение кольца, одновременно являющегося кристаллодержателем, выставляется по равенству крутизны всех преобразователей. Кроме того, подобная конструкция с парой резонаторов и вьтчитателем снижает чувствительность преобразователей к общим дестабилизирующим факторам, (питакнцим напряжениям, температуре, механическим воздействиям и т.п.).

Посредством электрического корректора начального смещения компенсируется суммарное начальное значение выходной частоты, возникающее после уравнивания крутизны, и показание начального давления масляной жидкости внутри секций шланга морской пьезосейсмографной косы. Эта коррекция производится посредством наборного поля перед началом работы

Посредством электрического корректора крутизны производится индивидуальная уточняюрдая коррекция неидентичности крутизны отдельных каналов, нескоютенсированная установкой углов механических корректоров. Это необходимо при повышении разрешакндей способности системы посредством соответствующего вариатор когда для увеличения временных интервалов уплотнения ощущаются неточности установки механических корректоров, больше чем плюс - минус одна единица младшего разряда приемного счетчика.

Формула изобретения

1. Цифровая система измерения глубинного положения морской пьезосейсмографной косы, содержащая в буксируемой части преобразователь давления в электрический сигнал и линию передачи последнего, а в бортовой части - отсчетный и времязаданндий блоки, из которых первый

подключен к передачи и содержит последовательно соединенные приемный счетчик, снабх(енный формирователем имттульса сброса, накопитель и устройство регистрации, а второй - последовательно соединенные генератор опорной частоты, хронирующий счетчик и Лорг1ирователь длтельности импульса, отличающаяся тем, что, с целью повышения стабильности и точности измерения, в буксируемую часть систеглл введена линия синхронизации,разделенная совместно с линией передач-и на отрезки,а каждый преобразователь состоит из дифференциального механического корректора крутизны с закрепленными в неп силочувствительными кварцевьичи резонаторами ,включeнныfIИ в два автоколебательных контура, соединенных через вычитатель частот с сигнальным входом временного селектора, причем импульсный выход последнего подключен через дизъюнктор к соседнигт отрезкам линии передачи, а потенциальный выход - к время3адаю чему входу одновибратора, к запускающему входу и выходу которого подключены соседние отрезки линии синхронизации и управляю1дие входы временного селектора, а в бортовую часть системы введены вариатор разрешающей способности системы в виде коммутатора старших разрядов хронирующего счетчика, электрические корректоры начального смещения и крутизны каждого преобразователя, оба вьтолненные в виде кодо-матричного ь-шфратора с наборньпч полем, счетчик и дешифратор числа каналов, выходы которого подключены к кодовым входам шифраторов, а выходы последних к установочным входам приемного и хронирующего счетчиков, причем линия синхронизации соединена со стробируюцим входом каждого 1-1ифратора,входом счетчика числа каналов и выходо формирователя длительности имекичего дополнительный времязадающий вход, подключенный к начальному выходу дешифратора.

2. Цифровая система по п.1, о тличающаяся тем, что механический корректор крутизны выполнен в виде полого цилиндра с одним из оснований в виде мембраны, между жестким центром которой и дном цилиндра находится образующая поверхность упругого кольца, имекичего на каждой плоскости сечения две .диаметрально противоположные под взаимным углом 90 пары выступов, к которым прикреплена периферийной областью поверхность кварцевого резонатора, причем угол поворота кольца в каждом корректоре установлен по равенству крутизны во всех преобразователях.

3.Цифровая система по п.1, о тличающаяся тем, что вычитатель частот выполнен в виде трех триггеров и инвертора, причем счетные входы двух триггеров соединены

с выходом автоколебательного контура меньшей частоты,и входы установки нулевого состояния непосредственно и через инвертор - с выходом контура большей частоты, а выходы соединены с установочными входами третьего триггера, выполненного на двух двухвходовых логических инверторах с перекрестными связями.,

4.Цифровая система по п.1, о тличаюыаяся тем, что временной селектор выполнен в виде триггера, к установочным входам которого соответственно подключены пороговый временной дискриминатор и дифференциатор, а к выходу - послеловател ное соединение конъюнктора Дизъ1рн1 то{)а, причем входы дискриминатора и дифференциатора служат управляющими входами временного селектора, его потенциальным выходом служит выход триггера, сигнальным входом служит второй вход конъюнктора,

а импульсным выходом служит выход

дизъюнктора, второй вход которого объединен со входом дифференциатора.

5.Цифровая система по П.-1, о тличающаяся тем, что каждый автоколебательный контур выполнен

в виде.петли положительной обратной связи, включающей в себя импульсный усилитель и обкладки резонатора.

6.Цифровая систе 1а по пп. 1 и 4 отличающаяся тем, что формирователи импульса сброса и

0 длительности импульса выполнены аналогичными соответственно временному дискриминатору селектора и одновибратору, размещенным в преобразователях буксируемой части системы

5

7.Цифровая система по п.1, о тличающаяся тем, что накопитель выполнен в виде сдвигающих регистров с цепями группового переноса разрядов.,

0

Источники информации, принятые во внимание-при экспертизе

1.Патент США № 3259399, кл. 340-7, опублик. 1967.

2.Патент США 3439319, кл.. 340-7, опублик. 1969.

5

,3. Патент США № 3837224, кл. 73-170А, опублик. 1975 (прототип) .

«н ч --SilS 1 I