SU1755157A1 - Устройство дл определени распределени солености воды - Google Patents

Abstract

Использование: океанографические исследовани . Сущность изобретени : устройство содержит погружаемое устройство с датчиками давлени , электропроводности и двум  датчиками температуры, а также бортовое устройство, содержащее средства запоминани  информации, определени  разности показаний датчиков температуры вычислени  текущего значени  солености. 1 з.п ф-лы., 5 ил

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а более конкретно к устройствам исследовани  гидрофизических полей, турбулентных процессов и других свойств водной среды.

Одним из важнейших путей совершенствовани  исследований в океане  вл етс  переход от пассивного сбора информации к постановке целенаправленного эксперимента в темпе временной изменчивости исследуемых процессов.

Известно устройство дп  автоматического контрол  концентрации электролитов, содержащее измеритель электропроводности , к выходу которого подключены последовательно соединенные множительное устройство, интегратор и  чейка пам ти, причем интегратор и  чейка пам ти соединены с первым выходом блока управлени , второй выход которого подключен к нагревателю , измеритель температуры, выход которого подключен ко входу блока управлени  и через дифференциатор к множительному устройству Это устройство измер ет интегральное значение произведени  электропроводности на скорость изменени  температуры электролита, по

величине которого и суд т о концентрации раствора

Недостатками устройства  вл ютс  сложность и трудоемкость процесса определени  концентрации из-за вз ти  пробы раствора объемом, соответствующим объему измерительной  чейки и об зательного нагрева в достаточно большом интервале температур, что существенно снижает оперативность процесса измерени  и не позвол ет использовать устройство дл  непрерывного контрол  концентрации в произвольном объеме жидкости.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому устройству  вл етс  гидрофизическим зондирующий комплекс Исток-3, предназначенный дл  получени  профилей распределени  температуры и удепьной электропроводности по глубине с дрейфующего судна и состо щий из погружаемого и бортового устройств, соединенных кабель-тросом, Исток-3 обеспечивает одновременную регистрацию следующих параметров: температуры от -2 до +35°С с погрешностью ± О 03 JC и чувствительностью 0,01 ± 0,005°С с инерционностью 1,0 с, электропроводности от 13 до

1

ч

68 мсм/см с погрешностью ± 0,03 мсм/см и чувствительностью 0,01 ± 0 005 мсм/см, давлени  от 0 до 200 кгс/см2 с погрешностью 0,5 кгс/см2 и чувствительностью 0,1± 0,05 кгс/см2 Врем  измерени  всех параметров 1,6 с

Внутри опускаемого герметического контейнера размещены измерительные мосты , аналого-цифровой преобразователь, устройство управлени  и синхронизации, блок св зи с бортовым устройством и блок питани . Бортова  аппаратура содержит блок св зи с погружаемым устройством, блок синхронизации приемного регистратора , четыре регистра пам ти, цифроаналого- вый преобразователь, блок св зи с регистрирующими устройствами и устройство индикации

Бортовое устройство служит дл  преобразовани  измер емых океанофа фических элементов и их регистрации в аналоговом и цифровой форме. По окончании зондировани  производитс  перезапись исходных данных на магнитную ленту По этим массивам ЦВМ производит контроль грубых сбоеа отдельных отчетов; коррекцию посто нной времени термометра сопротивлени ; интерпол цию данных к одному моменту времени; вычисление солености, плотности, скорости звука и т д

При проведении гидрофизических исследований очень важно получение экспресс-информации о распределении солености, плотности и т д в реальном масштабе времени В районе термоклина, особенно при высоких скорост х зондировани , из-за несоответстви  динамических характеристик каналов температуры и электропроводности получаютс  большие дина- мические погрешности вычислени  солености, как косвенного параметра Т и Е Эта погрешность в прототипе корректируетс  по окончании зондировани  с учетом известной посто нной времени датчика температуры. Поскольку посто нна  времени датчика измен етс  в процессе его эксплуатации , то указанна  динамическа  погрешность определени  солености компенсируетс  не полностью

Недостатками прототипа  вл ютс  отсутствие возможности определени  солености в реальном масштабе времени и недостаточна  точность вычислений обусловленна  динамической погрешностью канала температуры

Цель изобретени  повышение скорости зондировани  водной среды

Поставленна  цель достигаетс  тем «то известный морской зондирующий гидрофизический комплекс, содержащий погружаемое устройство с установленными в нем датчиками температуры, давлени  и электропроводности , выходы которых через усилители подключены ко входу коммутатора, а вход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и зондовый приемопередатчик соединен двунаправленной св зью с бортовым устройством, включающим бортовой приемопередатчик и блок индикации, снабжен дополнительным датчиком температуры установленным на корпусе погружаемого контейнера, дифференциально включенным совместно с основным датчиком к входу дополнительного усилител , выход которого подключен к входу коммутатора , а в бортовое устройство введены оперативное запоминающее устройство, мультиплексор, вычислитель солености, три

регистра, два сумматора, масштабный множитель , вычитающий элемент и блок управлени  Причем входы первого и второго регистров и первые входы мультиплексора, первого сумматора, вычитающего элемента

и вычислител  солености через оперативное запоминающее устройство соединены с выходом бортового приемопередатчика, выходы первого и второго регистров соединены с вторыми входами первого сумматора и

вычитающего элемента соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами масштабного множител , выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом мультиплексора, выход которого через третий регистр соединен с вторыми входами второго сумматора и вычислител  солености, выход которого соединен с входом блока индикации. Выходы блока управлени  соединены с синхронизирующими входами всех структурных элементов бортового устройства. Дополнительный датчик температуры установлен с возможностью перемещени  его по штоку относительно

группы основных датчиков на величину требуемой градиентометрической базы в направлении зондировани 

Динамическа  погрешность измерительного канала пропорциональна посто нной времени измерител  г, градиенту измер емой величины grad Т и скорости зондировани  (измерени ) V, иными словами

(5 Tgradt V

Таким образом, в районе термоклина, где градиент температуры достигает 1°С/м, дл  снижени  динамической погрешности

инерционного датчика необходимо уменьшать скорость зондировани  (частоту опроса датчика),

Устройство позвол ет повысить скорость зондировани  при заданной динамической погрешности, использу  измерени  градиента температуры дл  коррекции данных температурного пол .

Дл  определени  градиента температуры необходимо наличие двух датчиков, расположенных на заданном рассто ние и дифференциально св занных друг с другом.

Допустим эти датчики имеют разные посто нные времени переходного процесса, тогда

-Л.

(5i n grad t-V;

-

.02 тг grad t.V.

Динамическа  погрешность измерени  градиента величины Т будет соответственно равна

dgrad 3l - 62 - grad t V( П - Г2 ),

т.е. меньше, чем динамическа  погрешность измерени  с помощью этих датчиков параметра Т. Например, если посто нна  времени датчиков температуры отличаетс  на 20%, тогда динамическа  погрешность измерени  градиента уменьшитс  в 5 раз, либо при ззданной динамической погрешности возможно увеличение скорости зондировани  приблизительно в 5 раз.

Таким образом, устройство позвол ет производить вычисление солености с большой точностью в реальном масштабе времени , увеличить скорость зондировани  при проведении экспериментов, что равносильно увеличению частоты опроса первичных преобразователей, а значит позвол ет получить больше данных о тонкой структуре гидрофизических полей океана, т.е. более точно представить картину профилей гидрофизических параметров водной среды.

На фиг, 1 дана структурна  схема предлагаемого устройства дл  определени  распределени  солености воды; на фиг. 2 - временные диаграммы функционировани  устройства; на фиг. 3 - структурна  схема вычислител  солености; на фиг, 4 - временные диаграммы функционировани  вычислител  солености; на фиг 5 - электрическа  схема блока умножени .

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем. При вертикальном исследовании водной среды измер ютс  следующие параметры: температура Т, электропроводность Е,давление Ри градиент температуры grad Т. Обычно определение солености выполн етс  по зависимост м, св зывающим этот показатель с температурой, электро- проводностью и давлением, например, по полиномам типа

5 § I Ј aIJk-T «JPk

i - П I Л I, П

1-0 k 0

(D

где aijk - коэффициент полинома.

В предлагаемом устройстве предварительно выполн етс  коррекци  данных тем- пературы с использованием измерений градиента температуры по формуле:

АТ (grad Т( -1 + grad TI)(H| - HI - Q

ДТ -.

- (2)

где TI-I - значение температуры на предыдущем шаге измерений;

Hj-i. HI показани  датчика давлени  на предыдущем и текущем шагах измерений

соответственно;

grad Ти, grad TI - показани  градиентометра температуры на предыдущем и текущем шагах измерений соответственно;

рассто ние в местах между двум 

датчиками температуры, служащим дл  измерени  grad Т.

Вычисление солености осуществл етс  с использованием откорректированного значени  температуры,

В структурную схему устройства дл  определени  распределени  солености воды по глубине (фиг. 1) вход т погружаемое устройство 1, включающее датчик давлени  2, датчик электропроводности 3, основной

датчик температуры 4, выходы которых соединены со входами соответствующих измерительно-усилительных блоков 5-7, дополнительный датчик температуры 8, включенный дифференциально с соответствующим датчиком к входу дополнительного усилительно-измерительного блока 9. Выходы усилительно-измерительных блоков 5-7 и 9 соединены с входами аналогового многоканального коммутатора 10, выход

которого через аналого-цифровой преобразователь 11 и зондовый приемопередатчик 12 соединен двунаправленной св зью с бортовым устройством 13.

Бортовое устройство 13 включает бортовой приемопередатчик 14, выход которого через оперативное запоминающее устройство 15 подключен ко входам первого 16 и второго 17 регистров, к первым входам мультиплексора 18, первого сумматора 19, вычитающего элемента 20 и вычислител  солености 21 Выходы первого 16 и второго 17 регистров соединены с вторыми входами первого сумматора 19. и вычитающего элемента 20 соответственно, выходы которых соответственно соединены с первым и вторым входами масштабного множител  22, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 23. Выход второго сумматора 23 соединен с вторым входом мультиплексора 18, выход которого через третий регистр 24 соединен с вторыми входами второго сумматора 23 и вычислител  солености 21, выход которого соединен с входом блока индикации 25 Выходы блока управлени  26 соединены с синхронизирующими входами бортового приемопередатчика 14, оперативного запоминающего устройства 15, регистров 16, 17 и 24, мультиплексора 18, сумматоров 19 и 23, вычитающего элемента 20, вычислител  солености 21, множител  22 и блока индикации 25

На фиг 2 приведены временные диаграммы функционировани  устройства Устройство функционирует следующим образом На вход коммутатора 10 поступают (Элоговые сигналы с основных (2-7) и градиентометрического 8-9 каналов. Аналоговые значени  градиента получаютс  за счет дифференциального включени  двух одинаковых датчиков Коммутаци  напр жений на аналого-цифровой преобразователь 11 происходит по синхроимпульсам (фиг 2а), поступающим из бортового устройства 13 через зондооый приемопередатчик 12. АЦП преобразует напр жение в соответствующий двоичный последовательный код, который передаетс  зондовым приемопередатчиком в виде частотно-модулированных сигналов

Бортовой приемопередатчик 14 принимает информацию, преобразует ее в двоичный параллельный коп, и одновременно передает в погружаемое устройство синхронизирующий сигнал от блока управлени  26. Полученна  информаци  по синхроимпульсам от блока управлени  26 записываетс  в оперативное запоминающее устройство 15 (фиг. 26) Вначале зондировани  информаци  от датчиков давлени  2, температуры А и градиентометра 4-8 нар ду с записью в оперативное запоминающее устройство 15 записываетс  во второй 17, третий 24 и первый 16 регистры соответственно (фиг. 2в), при этом на управл ющем входе мультиплексора 18 установлен сигнал низкого уровн  (фиг 2г) Таким образом, в регистрах сохран ютс  значени  параметров , измеренных на предыдущем шаг зондировани - в Р1 grad Ti 1, в Р2 - Ни, в РЗ -Ti 1.

Далее в каждом цикле опроса датчиков происходит корректировка значений температуры по формуле 2, дл  чего на первый сумматор 19, вычитающий элемент 20 и масштабный множитель22 из блокауправлени  26 выдаютс  запускающие импульсы (фиг. 2д). Масштабный множитель умножител  22 устанавливаетс  равным 1/2 . (Значение градиентометрической базы Ад выбираетс  из учета достаточного соотношени  полезный сигнал - шум и соответствует 0,1-1 м). Второй сумматор 23 завершает операцию корректировани  температуры (фиг. 2и), значение которой через мультиплексор

18, на управл ющем входе которого уста- навлизлетс  сигнал высокого уровн  (фиг 2ж), записываетс  в третий регистр 24 (фиг. 2з) и поступает на второй вход вычислител  солености 21, текущее значение глубины HI

и градиента температуры grad TI заноситс  соответственно во второй 17 и в первый 16 регистры после выполнени  операций первым сумматором 19 и вычитающим элементом 20 (фиг. 2к),

Через выходной мультиплексор вычислител  солености 21 вывод тс  коды давлени , температуры, электропроводности и солености на блок индикации 25, синхронизируемый блоком управлени  26 (фиг 2л).

Устройство позвол ет также выводить на блок индикации 26 откорректированное значение температуры (фи-, 2м).

Пример реализации устройства, В комплексе используютс  стандартные датчики

следующих типов: датчик температуры представл ет собой термометр сопротивлени , датчик давлени  мембранный тензо- метрчческий; датчик электропроводности кондуктометрический или контактный.

В качестве усилител  могут быть использованы серийные интегральные операционные усилители, например, серий К140, К284, К544 ц др , а в качестве коммутатора и АЦП - интегральные схемы серий К543,

К590, К 572, К1108.

Оперативное запоминающее устройство может быть организовано на интегральных микросхемах К155РУ2, К565РУЗ; в качестве регистров можно использовать интегральные микросхемы К155ИР1, мультиплексора - К531КП2, К531КП11.

Функции блока индикации можег выполн ть , например, цифровой вольтметр или дисплей

Дл  вычислени  солености морской среды в процессе зондировани  удобно воспользоватьс  степенным многочленом, разработанным по методике Брамсона М А

S- J Ј ay-T /c ,aij 0, i o j o

если i + j 4.

Структурна  схема вычислени  солености , реализующа  данный алгоритм, приведена на фиг. 3, на фиг, 4 приведены временные диаграммы функционировани  данного структурного блока.

В ПЗУ 27 (см. фиг. 3) занесены коды коэффициентов полинома дл  вычислени  солености S в такой последовательности:

аоо, aoi,

ао2 аоз

ао4

aoi ао2 аоз

а ю ,

аи ai2

аю аи

и т.д.

Когда выполнен ввод информации от всех датчиков и коды данных с этих датчиков занесены в ОЗУ 15, блок управлени  26 выдает серию импульсов дл  управлени  работой вычислител  21 (см. фиг. 2н).

В качестве множительного устройства

28можно использовать микросхему К155ИПЗ, выход которой соединен с регистром К155ИР1, используемым дл  хранени  результата. Если на управл ющие входы S1 - S3 этой микросхемы посто нно подан сигнал низкого уровн , тогда изменение сигнала на входе SO позволит выполн ть две операции: передачу первого операнда без изменений на выход микросхемы и перемножение двух величин. Накапливающий сумматор 29 представл ет собой сумматор типа К155ИМ, выход которого соединен с входом регистра, например, К155ИР1, запись в который осуществл етс  от блока управлени  26.

Процесс вычислени  солености начинаетс  с занесени  в регистр накапливающего сумматора 29 кода коэффициента, дл  чего на ПЗУ 27 выдаетс  адрес этого коэффициента , на управл ющий вход множител  28 подаетс  сигнал низкого уровн , а на управл ющий вход накапливающего сумматора

29подаетс  импульс управлени  (фиг. 4а). Затем на ОЗУ 15 из блока управлени  выдаетс  адрес параметров Е, электропроводность (фиг. 46), а на ПЗУ 27 - адрес следующего коэффициента. Через первый

30и второй 31 мультиплексоры данные поступают на входные шины множительного устройства 28, а на управл ющий вход - сигнал высокого уровн  (фиг 4в) Результат поступает на сумматор 29 (фиг 4г)

На следующем шаге из ПЗУ 27 извпека- етс  следующий коэффициент. Дл  получени  степеней выше первой, например, Е мультиплексор М2 31 переключаетс  на

прием информации по второму входу (фиг. 4д), т.е. на второй вход множител  28 поступает результат предыдущей операции, а на первом входе установлено то же значение, например, Е. После завершени  расчетов

0 полученные и исходные данные выдаютс  на блок индикации 25 через третий мультиплексор 32, на который из блока управлени  26 поступают соответствующие управл ющие сигналы (фиг. 4е).

5 Блок управлени  26 может быть реализован на микропроцессорной базе. Рассмотрим наиболее простую реализацию, например, на базе однокристалльного микропроцессора К1816 (РВЕ035). Прииципи0 альна  схема такого устройства приведена з техническом паспорте микросхемы РВЕ035.

Кристалл микросхемы содержит практически все узлы, необходимые дл  автоном5 ной работы, за исключением ПЗУ команд, поэтому принципиальна  схема устройства помимо основного микропроцессора вк ю- чает микросхему внешнего ПЗУ К573РФ2 емкостью 2К восьмиразр дных слое и вось0 миразр дный буферный регистр обмена,

Дл  управлени  предлагаемым зондирующим устройством требуетс  пор дка 23 сигналов. Поэтому дл  выполнени  поставленной задачи в микропроцессорный бпок

5 управлени  добавл ютс  3 восьмиразр дных регистра К589ИР12, выходы которых соедин ютс  с управл ющими входами всех структурных элементов бортового устройства. Электрическа  схема блока управлени ,

0 представленна  на фиг. 5, содержит микропроцессор 33 (К18116РВЕ035), посто нное запоминающее устройств 34(К573РФ2) и четыре регистра 35-38 (К589ИР12). В соответствии с программой, записанной в ПЗУ

5 блока управлени  на регистры 36-58 выдаютс  серии управл ющих импульсов, изображенные на фиг, 2 и 4,

Блок управлени  может быть также выполнен на программируемых логических

0 матрицах КР588ВУ. Схема должна содержать счетчик, который считает такты работы зондирующего устройства и позвол ет выбрать программу из логической матрицы, соответствующую режиму работы каждого

5 такта. При этом блок управлени  представл ет собой простой автомат с пам тью.

Кроме того, функции блоков 15-24, 26 могут быть выполнены микропроцессорным вычислителем на базе МП комплекта КР588 (комплект Дипломат). Схема процессора и

инструкци  к эксплуатации даны в технической документации МП комплекта.

Claims (1)

1. Таким образом, вычисление параметров S, реализуемое предлагаемым устройством , позвол ет повысить скорость зондировани , уменьшить динамическую погрешность измерительных каналов, а значит , повысить точность определени  солености , отражать результаты в реальном масштабе времени и получить большее «мело данных, Кроме того, предлагаемое устройство Может быть использовано при вычислении таких параметров водной среды , как плотностьри показатель прелом пени  п. Дл  чего достаточно ввести требуемые коэффициенты полиномов в по- сто нное запоминающее устройство вычислител  солености 21 и соответствующим образом откорректировать алгоритм, записанный в ПЗУ блока управлени  26, Формула изобретени  1. Устройство дл  определени  распределени  солености воды по глубине, содер- хан ее погружаемое устройство с уста .овленными на нем коммутатором, аналого-цифровым преобразователем, приемопередатчиком , усилител ми, датчиками температуры, давлени  и электропроводности , выходы которых через усилители подключены к входу коммутатора, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь к приемопередатчику, а также бортовое устройство, включающее бортовой приемопередатчик и блок индикации, отличающеес  тем, что, с целью повышени  скорости зондировани , в погружаемое устройство введен дополнительный датчик температуры, дифференциально включенным совместно с другим датчиком к входу дополнительного усилител , выход которого подключен к входу коммутатора, а

   в бортовое устройство введены оперативное запоминающее устройство, три регистра , мультиплексор, вычислитель солености, два сумматора, вычи гающий элемент, масштабный множитель и блок управлени , причем входы первого и второго регистров и первые входы мультиплексора, первого сум- матора, вычитающего элемента и вычислител  солености через оперативное запоминающее устройство соединены с выходом бортового приемопередатчика, выходы первого и второго регистров соединены с вторыми входами первого сумматора и вычитающего элемента соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым

   входами масштабного множител  соответственно , выход которого соедичен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом мультиплексора, выход которого через третий регистр соединей с вторым входом второго сумматора и вхолом вычислител  солености, выход которого соединен с входом блока индикации, выходы блока управлени  соединены с синхронизирующими входами всех структурных эпементов бортового устройства.

   2, Устройство поп. 1,отличающее- с   тем, что дополнительный датчик температуры установлен с возможностью перемещени  его по штоку относительно группы

   основных датчиков на величину требуемой градментометрической базы в направлении зондировани .

   LSISSLI

   вход j из 03У

   dxotf 2из РЗ

   #аби ФигЗ

   Фиг 4 ,

   HI-