Устройство для измерения вертикальных профилей гидрологических параметров морской воды Советский патент 1982 года по МПК G01N27/02 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Изобретение относится к исследованиям океана и предназначено для из-; мерения профилей температуры поверхностного слоя океана в условиях волнения. Известно устройство для измерения профиля температуры, содержащее чувствительный элемент, выполненный в виде маски из нескольких термочувствительных ячеек (или в виде маски из нескольких двухэлектродных ячеек), распределенных и геометрически промодулированных вдоль измеряемого прог филя, причем выходы ячеек поданы раздельно на входы измерительно-вычислительного блока. Это устройство обес,печивает высокую точность при измерении профилей температуры или электропроводности на различных глубинах | lT Недостатком такого устройства является невозможность его применения для измерения профиля гидрофизических параметров, например температуры. МОРСКОЙ ВОДЫ В условиях морского волнения на грани це раздела Вода - воздух. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения вертикального профиля температуры на границе раздела вода - воздух, состоящее из несущей трубчатой мачты, расположенной вертикально относительно горизонта и поддерживаемой на поверхности воды тремя поплавками, которая снабжена кронштейнами, на которых закреплены блок автоматики, двигатель и два связанные тросом шкива, и датчика температуры, закрепленных на тросе и связанных кабелем с регистратором fz. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности точной регистрации профиля температуры вследствие морского волнения, так как трехпоплавковая система представляет собой инерционное звено второго порядка. Поэтому определить момент входа и выхода датчика из воды в воздух можно лишь косвенным путем по точке резкого изменения температурной кривой. Однако такое определение температуры не является однозначным, например, при равенстве температуры воды и воздуха, горизонтальной стратификации температуры воды и воздуха когда наблюдается равенство температур на различных горизонтах и т.п. Кроме того, экспериментально установ лено, что вследствие колебания трехпоплавковрй системы на волне можно получить только лишь интегральную оцен ку температуры по глубине (осреднение по глубине порядка 15 см при волнении моря до 2 баллов). Существуют колеЬания, вызванные волной, и их ве личина -TL, (цу/кГ где К - коэффициент термодиффузии; а - амплитуда волны; цу- угловая частота волнения. Форма поверхностной волны и вызваннее ею тепловое колебание взаимосвязаны. При этом установлено, что гребень волны отстает от максимума температурной волны от О до 90 . Следо вательно, для точной интерпретации результатов зондирования устройство должно одновременно измерять фазовый угол волны в точке пересечения датчиками границы раздела. Цель изобретения - повышение точмости измерения профилей температуры и расширение функциональных возможностей измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения вертикального профиля гидрологических параметров, содержащее несущую трубчатую мачту, поддерживаемую поплавками в вертикальном положении, снабженную кронштейнами, на которых закреплены блок автоматики, двигател и два связанные тросом шкива, и датчик температуры, закрепленный на тро се и связанный кабелем с блоком авто матики, введены датчик электропроводнр сти, закрепленный на тросе в месте расположения датчика температуры, и следящая система, состоящая из вибрационного волнографа, частотного дискриминатора, логического эле мента И-НЕ и многоканального регистратора, причем первые выходы датчиков температуры и электропроводности связаны поочередно с неинвертирующим входом дополнительного компаратора частотного дискриминатора, вторые их выходы связаны со входом многоканального регистратора, а третий выход датчика элект(эопроводности связан с первым входом логического элемента И-НЕ, второй вход которого связан с выходом предварительного усилителя волнографа, при этом одновременно выход предварительного усилителя связан через последовательно соединенные дифференцирующую цепь, генератор пилообразного напряжения, основной компаратор, фильтр, сумматор и усилитель частотного дискриминатора с двигателем, а выход генератора пилообразного напряжения через последовательно соединенные дополнительные компаратор, фильтр и электронное реле связан со входом сумматора и одновременно со входом основного компаратора. На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - блоксхема следящей системы зонда; на фиг. 3 - временная диаграмма напряжений частотного дискриминатора. Зонд имеет несущую мачту 1, удерживаемую на поверхности с помощью поплавков 2, блок автоматики 3i кронштейн Ц для крепления двигателя 5 и герконовых реле 6. Колебания чувствительного элемента (струны) волнографа 7 преобразовываются акустическим приемником 8 в напряжение элект- . рического сигнала. Натяжение струны производится поворютом винта 9 на некоторый угол. Датчики 10 крепятся с помощью троса П на шкивах 12. Кабель 13 с помощью разъема 14 соединяет выход датчиков с платой следящей системы зонда 15. Для измерения профиля температуры на разных горизонтах крепление поплавков на несущей мачте выполнено подвижным и фиксируется с помощью винта 16. Натяжение троса 11 осуществляется с помощью гайки 17 икронштейна 18. Гайка 19 служит для натяжения струны и ее фиксации на мачте. Следящая система .состоит из волнографа, который включает блок запуска 20. выход которого связан со входом вибрирующего Чувствительного элемента 7 вход - последовательно через формирователь длительности временного интервала . 21, усилитель 22, ампли-тудный селектор 23 и первый выход предварительного усилителя-ограничителя 2k связан с выходом акустическо го приемника 8, при этом второй выход предварительного усилителя 2 св зан со входом многоканального регист ратора 25. Третий выход предваритель ного усилителя 2 связан со входом частотного дискриминатора, который включает дифференцирующую цепь 26, генератор пилообразного напряжения 2 выход которого связан с основным ком паратором 28, выполненным- на. интегральном операционном усилителе. Одно временно выход генератора пилообразного напряжения 2 подан на вход дополнительного компаратора 29, выполненного на интегральном операционном усилителе. Выход основного компарато ра 28 соединен с фильтром 30, а выхо дополнительного компаратора 29 С дополнительным фильтром 31, выход которого соединен со входом дополнительного электронного реле 32, представляющего собой операционный усили тель, охваченный нелинейной отрицательной оЬратной связью, выход которого подан на второй вход основного компаратора 28, а второй выход подан на сумматор 33. Выход фильтра 30 соединен со вторым входом сумматора 33 выход которого соединен со входом усилителя З, выход усилителя 3 соединен с двигателем 5. Логический элемент И-НЕ реализован блоком 35. Зонд работает следующим образом. При опускании зонда на поверхность воды несущая мачта 1 погружается в воду на некоторую заданную глубину. Следящая система зонда обеспечивает равномерную протяжку датчиков 10 относительно нестационарной (взволнованной) границы раздела вода - воздух. При этом профили гидрофизических параметров регистрируются как при движении датчиков вниз, так и при движении их в обратном направлении. Скорость двигателя 5 обратно пропорциональна градиенту температуры или электропроводности в зависимости от того, по какому параметру происходит слежение. Изменение направления движения датчиков 10 вверх или вниз осуществляется с помощью релейной схемы, управляющий сигнал на которую подается с концевых выключателей, выполненных на герконовых реле 6, или с логического элемента И-НЕ и герконовых реле 6 одновременно в режиме слежения по градиенту электропроводности Следящая система зонда работает следующим.образом. Импульс с блока запуска 20 поступает на электромагнит (не показан). При этом происходит притяжение струны, а затем вибрация. Сигнал, частота которого пропорциональна изменению амплитуды волны, воспринимается акустическим приемником. Когда амплитуда колебания струны затухает, срабатывает амплитудный селектор 23 и через формователь длительности временного интервала 21 сигнал поступает на блок запуска 20. Процесс повторяется.,С выхода акустического приемника сигнал поступает на усилитель-ограничитель 22 и далее на частотный дискриминатор, который Преобразует отклонение частоты напряжения переменного тока относительно данной частоты в напряжение. При включении питающего напряже:Ния и подаче на вход дифференцирующей цепи 2б напряжения Uay представляющего собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов, снимаемых с предварительного усилителя-ограничителя 2k, последние дифференцируются и в виде напряжения U.,y поступают на вход генератора пилообразного напряжения 27. С выхода генератора 27 напряжение 0 поступает на инвертирующий вход дополнительного компаратора 29, на неинвертирующий вход которого подается опорное напряжение с датчика 10 температуры или электропроводности. Одновременно пилообразное напряжение U поступает и на инвертирующий вход основного компаратора 28. Фильтр 30 обеспечивает получение среднего значения напряжения Ui. . При f п иф О . При изменении частоты входного сигнала от О до схэ выходное напряжение дополнительного ильтра изменяется в соответствии со статической характеристикой, ширина линейной зоны которой равна 2fu , а выходное напряжение дополнительного электронного реде равна Up О при изменении частоты входного сигнала от О до 2f , Когда часота выходного сигнала становится равной 2fj , то соответственно на выходе дополнительного фильтра 31 наряжение и УЭЫУ о Напряжение Уф равно Ugj|.yp, пока частота входного сигнала Г 2f , . .При подаче на вход дополнительного электронного реле 32 на его выходе формируется сигнал Up Напряжение Упподается на вход сумматора 33 и одновременно на неинвертирующцй вход основного компаратора 28 В результате того, что на неинвер тирующий вход компаратора 28 поступает напряжение с выхода электронного реле 32, потенциал на этом входе станет равным Uc/2 , а среднее значение напряжения иф на выходе фильтра 30 равно нулю. Результирующее напряжение ИВЫУ. выходе сумматора 33 при этом равно . Получение импульса, фиксирующего фазовый угол волны в точке пересечения датчиком электропроводности границы раздела двух сред, реализуется известным логическим элементом И-НЕ 3, на .один вход которого поступает сигнал с датчика электропроводности 10, а на второй вход - с четвертого выхода предварительного усилителяограничителя 2k. При этом выходной импульс поступает на многокальный регистратор. При обработке полученной информации легко установить фазовый угол волны в точке пересечения датчиками границы раздела по волнограмме и метке границы, получаемой на выходе схемы И-НЕ, на вход которо.й подается сигнал с .волнографа и датчика электропроводности. Одновременно выходной импульс логического элемента И-НЕ служит для и менения направления движения датчико в случае слежения по градиенту электропроводности, так как в воздухе значение электропроводности равно О . Следящая система позволяет регистрировать профили температуры и электропроводности морской воды с точность i 1 мм при волнении моря до 3 баллов Применение устройства позволяет значительно повысить точность измерения профилей гидрофизических параметров на взволнованной границе раздела: электропроводности, температуры и вол нения,; моря, при одновременной фиксации фазового угла в точке пересечения датчиками, границы раздела, что явля.ется крайне необходимым для исследования колебаний температуры и электропроводности скин-слоя. Кроме того, устройство позволяет корректно исследовать профили верхнего слоя моря. 9 -8 где существуют большие градиенты температуры и электропроводности. Устройство для измерения профилей температуры и электропроводности может работать в пяти режимах: слежение только за взволнованной границей раздела с постоянной скоростью относительно границы; слежение одновременно по градиенту электропроводности и волнению, при этом скорость двигателя обратно пропорциональна градиенту электропроводности;слежение одновременно по градиен- ту температуры и волнению, при этом скорость двигателя обратно пропорциональна градиенту температуры; слежение только по градиенту электропроводности в случае спокойной границы раздела; слежение только по градиенту температуры в случае спокойной границы раздела. Во всех -случаях одновременно фиксируется момент перехода датчиками границы раздела. Формула изобретения Устройство для измерения вертикальных профилей гидрологических параметров морской водь1, содержащее мачту, удерживающую на поверхности воды поплавками, на которой установлен двигатель с приводом, соединенным с тросом, снабженным датчиками, соединенными с регистратором, о тличающееся. тем, что, с целью повышения точности измерения, В него введены логический элемент И-НЕ, волнограф, содержащий чувствительный элемент, преобразователь акустических сигналов в электрические, предварительный усилитель-ограничитель, частотный дискриминатор, содержащий усилитель, дифференцирующую цепь, генератор пилообразного напряжения, основной и дополнительный компараторы, основной и дополнительный , электронное реле, сумматор, причем первый выход датчиков соединен с одним из входов регист ратора, второй выход соединен с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, третий - с первым входом логического элемента И-НЕ, второй |вход которого соединен с выходом Г1редварительного усилителя волногра фа, выход предварительного усилителяограничителя соединен через последовательно соединенные дифференциру- ющую цепь, генератор пилообразного напряжения, основной компаратор, основной фильтр, сумматор и усилитель частотного дискриминатора с двигателем, а выход генератора пилообразного напряжения через последовательно соединенные дополнительный компаратор, дополнительный фильтр и электронное

реле соединен с входом сумматора и с входом компаратора

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2785852/25,

кл. G 01 N 27/02, 1980.

2.Андреев Е. Г. и др. О вертикальном профиле температуры вблизи границы раздела море - атмосфера. Океанология, М., 1969, W 2, с. 3 8-355.