Устройство для определения распределения солености воды

СОЮЗ СОВЕ ГСКИХсОциАлистичГскиРЕСПУБЛИК 19) 111) 51)5 О 01 И 27/О ЕНИ ТЕЛ ЬСТ нститутРезан цеваСР ческии аи Е.В ство СС 04, 196 , Океа метеои нографи здат, 19 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ С(56) Авторское свидетельМ 571740, кл, 6 01 К 27/Маклаков А.ф. и дрские приборы. Л Гидрос, 151,Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к устройствам исследования гидрофизических полей, турбулентных процессов и других свойств водной среды,Одним из важнейших путей совершенствования исследований в океане является переход от пассивного сбора информации к постановке целенаправленного эксперимента в темпе временной изменчивости исследуемых процессов,Известно устройство для автоматического контроля концентрации электролитов, содсржащее измеритель электропроводности, к выходу которого подключены последовательно соединенные множительное устройство, интегратор и ячейка памяти, поичем интегратор и ячейка памяти соединены с первым выходом блока управления, второй выход которого подключен к нагревателю, измеритель температуры, выход которого подключен ко входу блока управления и через дифференциатор к множительному устройству, Это устройство измеряет интегральное значение произведения электропроводности на скорость изменения температуры электролита, по 2(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕНОСТИ ВОДЫ (57) Использование: океанографические исследования, Сущность изобретения, устройство содержит погружаемое устройство с датчиками давления, электропроводности и двумя датчиками температуры, а также бортовое устройство, содержащее средства запоминания информации, определения разности показаний датчиков температуры вычисления текущего значения солености. 1 а,п, ф-лы 5 ил. величине которого и судят о концентрации раствора,Недостатками устройства являются сложность и трудоемкость процесса определения концентрации из-за взятия пробы раствора обьемом, соответствующим объему измерительной ячейки и обязательного нагрева в достаточно большом интервале температур, что существенно снижает оперативность процессаизмерения и не позволяет использовать устройство для непрерывного контроля концентрации в произвольном объеме жидкости,Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому устройству является гидрофизическим зондирующий комплекс "Исток, предназначенный для получения профилей распределения температуры и удельной электропроводности по глубине с дрейФующего судна и состоящий из погружаемого и бортового устройств, соединенных кабель-тросом, "Исток - 3" обеспечивает одновременную регистрацию следующих параметров температуры от -2 до+35 С с погрешностью + 0,03"С и чувствительностью 0,01 + 0,005" С с инерционностью 1,0 с; злектропроводности от 13 до,Павхан аказ 2888 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открь 1 тиям при ГКЦЗ СС 113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб 4/5 но-издательский комбинат "Патент", г, Ужгор гарина аизвадс Состав Техред ель Е,СавковаМ,Мсргентал Корректор ЛЛ68 мсм/см с погрешностью + О,ОЗ мсм/сми чувствительностью 0,01 + 0,005 мсм/см;давления от О до 200 кгс/см с погрешно 2стью 0,5 кгс/см и чувствительностью20,1+ 0,05 кгс/см, Время измерения всех 5параметров 1,6 с,Внутри опускаемого герметическогоконтейнера размещены измерительные мосты, аналого-цифровой преобразователь,устройство управлейия и синхронизации, 10блок связи с бортовым устройством и блокпитания, Бортовая аппаратура содержитблок" связи с. погружаемым устройством,блок синхронизации приемного регистратора, четыре регистра памяти, цифроаналоговый преобразователь, блок связи срегистрирующими устройствами и устройСТВО индикациИ,Бортовое устройство служит для преобразования измеряемь 1 х океанографических 20элементов и их регистрации в аналоговой ицифровой форме. ПО Окончании зондирования производится перезапись исходныхданных на магнитную ленту, По этим массивам ЦВУ производит контроль грубых 25сбоевотдельных отчетов; коррекцию постоянной времени термометра сопротивления;интерполяцию данных к одному моментувремени;.вычисление солености, плотности,скорости звука и т.д. ЗОПри проведении глдрофизических исс.ледований очень важно получение экспресс-информации о распределениисолености, плотности и т,д, в реальноммасштабе времени. В районе термоклина, 35особенно при высоких скоростях зондирования, из-за несоответствия динамическиххарактеристик каналов температурь 1 и электропроводностиполучаются большие динамические погрешности вычисления 40солености, как косвенного параметра Т и Е.Эта погрешность в прототипе корректируется по окончании зондированйя" с "учетомизвестной постоянной времени датчикатемпературы. Поскольку постоянная времени датчика изменяется в процессе его эксплуатации, то указанная динамическаяпогрешность определения солености компенсируется не полностью.Недостатками прототипа являются отсутствие возможности определения солености в реальном масштабе времени инедостаточная точность вычислений, обусловленная динамической погрешностью канала температуры 55Цель изобретения - повышение скорости зондирования водной среды,Поставленная цель достигается тем, чтоизвестный морской зондирующий гидрофизический комплекс, содержащий погружаемое устройство с установленными в нем датчиками температуры, давления и электропроводности, выходы которых через усилители подключень 1 ко входу коммутатора, а вход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь и зондовый приемопередатчик соединен двунаправленной связью с бортовым устройством, включающим бортовой приемопередатчик и блок индикации, снабжен дополнительнь 1 м датчиком температуры., установленным на корпусе погружаемого контейнера, дифференциально включенным совместно с основным датчиком к входу дополнительного усилителя, вь 1 ход 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 управления, Причем входы первого и второго регистров и первые входы мультиплексора, первого сумматора, вычитающего элемента и вычислителя солености через оперативное запоминающее устройство соединены с Выходом бортового приемопередатчика, выходы первого и второго регистров соединень 1 с Вторыми входами первого сумматора и вычитаощего элемента соответственно, выходы которых соединены с первым и вторым входами масштабного множителя, выход которого соединен с псрвым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом мультиплексора, выход которого через третий регистр соединен с вторыми входами второго сумматора и вычислителя солености, выход которого соединен с входом блока индикации, Выходы блока управления соединены с синхронизирующими входами всех структурных элементов борто- ВОГО УСтрайСтва, ДОпОлнитЕльный датчИК температуры установлен с возмокностью перемещения его по штоку относительно группы основных датчиков на величину требуемой градиентометрической базы в направлении зондирования,Динамическая погрешность измерительного канала пропорциональна постоянной времени измерителя т, градиенту измеряемой величины огаб Т и скорости зондирования (измерения) Ч, иными словамид =когад т Ч.Таким образом, в районе термоклина, где градиент температуры достигает 1 С/м, для снижения динамической погрешностиинерционного датчика необходимо уменьшать скорость зондирования частоту опроса датчика),Устройство позволяет повысить скорость зондирования при заданной динамической погрешности, используя измеренияградиента температуры для коррекцииданных температурного поля,Для определения градиента температуры необходимо наличие двух датчиков, рас.- 10положенных на заданном расстоянии идифференциально связанных друг с другом,Допустим эти датчики имеют разные постоянные времени переходного процесса,тогда .15 д 1 =р дгаб т Ч; Ог = тг дгад т Ч; 20Динамическая погрешность измеренияградиента величины Т будет соответственноравна.дягад = д 1 - дг = дгао т Ч т 1 - тг ),25 т,е, меньше, чем динамическая погреш- ность измерения с помощью этих датчиков- параметра Т. Например, если постоянная времени датчиков температуры отличается 30 . на 20 отогда динамическая погрешность измерения градиента уменьшится в 5 раз, либо при заданной динамической погрешности возможно увеличение скорости зондирования приблизительно в 5 раз, 35Таким образом, устроиство позволяет производить вычисление солености с большой точностью в реальном масштабе времени, увеличить скорость зондирования при проведении экспериментов, что равносиль но увеличению частоты опроса первичных преобразователей, а значит позволяет пол- учить больше данных о тонкой структуре гидрофизических полей океана, т.е, более точно представить картину профилей гидро физических параметров водной среды,На фиг, 1 дана структурная схема пред. лагаемого устройства для определения распределения солености воды; на фиг, 2 - временные диаграммы функционирования 50 устройства; на фиг, 3 - структурная схема вычислителя солености; на фиг, 4 - временные диаграммы функционирования вычислителя солености; на фиг, 5 - электрическая схема блока умножения, 55Сущность изобретения заключается в следующем. При вертикальном исследовании водной среды измеряются следующие параметры; температура Т, электропроводность Е, давление Р и градиент температуры дгаб Т, Обычно определение солености выполняется по зависимостям, связывающим этот показатель с температурой, электропроводностью и давлением, например,по полиномам типаи и и5= ,", , а;1 р Т кр 1)=-а =о =о,где ац. - коэффициент полинома.В предлагаемом устройстве предварительно выполняется коррекция данных температуры с использованием измерений градиента температуры "поформуле;цгад Т - 1+ дгаб Т 1)(Н - Й - 1)2(2) где Ть 1 - значение температуры на предыдущем шаге измерений;Нь 1, Н - показания датчика давления на предыдущем и текущем шагах -измерений соответственно;дгаб Ть 1, дгаб Т - показания градиентометра температуры на предыдущем итекущем шагах измерений соответственно;Лд - расстояние в местах между двумя датчиками температуры,служащим для измерения дгаб Т,Вычисление солености осуществляется. с использованием откорректированного значения температуры,В структурную схему устройства для определения распределения солености воды по глубине (фиг, 1) входят погружаемое устройство 1, включающее датчик давления 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 связью 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 вычислителя солености 21, Выходы первого 16 и второго 17 ретистров соедйнены с вторыми входэми первого сумматора 19 и вычитэющего элемента 20 соответственно, выходы" которых соответстВенно соединены с первыми вторым входами мэсштэбного множителя 22, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 23. Выход второго сумматора 23 соединен с вторым входом мультиплексорэ 18, выход"которого через третий регистр 24 соединен с вторыми входами вто рогосумматора 23 и вычислителя солености21, выход которого соединен с входом блока индлкэции 25. Выходы блока управления 26 соединены с синхронизирующими входами бортового приемопередатчика 14, оперативного зэпомлнающего устройства 15, регистров 16, 17 и 24, мультиплексора 18, сумматоров 19 и 23, вьчитэющего элемента 20, вычислителя солености 21, множителя 22 и блока индикации 25,На фиг, 2 приведены временные диэг-рэммы функционирования устройства, Уст-" ройство функционирует следующим образом, На вход коммутатора 10 поступают:"элоговые сигналы с основных (2 - 7) и грэдиентоме, рического 8-9 кэйалов. Анэлоговые значения градиента получаются зэ/счет дифференциэльного включения двух одинаковых датчиков, Коммутация нэпряжений на аналого-цифровой преобразователь 11 происходит по синхроимпугьсэм (фиг, 2 э), поступающим из бортового устройства 13 через зондовый приемопередатчик 12. АЦП преобразует напряжение в соответствующий двоичный последовательный код, которыл передэется зондовь м ириемопередатчиком в виде частотно-модулированных сигналов,Бортовой приемопередатчик 14 принимает информацию, преобразует ее в двоичный параллельный ко и одновременно передает в погружэемое устройство синхронизирующий сигнал от блока управления 26. Полученная информация по синхроимпульсам от блока упрэвления 26 записывается в оперативное запоминающее устройство 15 (фиг. 2 б), Внэчэле зондирова ния информация от датчиков давления 2,температуры 4 и грэдиентометрэ 4-8 нэряду с записью в оперативное зэпоминающее устройство 15 записывается во второй 17, третий 24 и первый 16 регистры соответственно (фиг. 2 в), при этом нэ упрэвляющем входе мультиплексора 18 установлен сигнал низкого уровня (фиг, 2 г), Таким образом, в регистрах сохраняются значения параметров, измеренных на предыдущ м шаге зондирования; в Р 1 - угэо Т, в Р 2 - Н., в РЗ - ТН 1Далее в каждом цикле опроса датчиковпроисходит корректировка значений темперэтуры по формуле 2, для чего на первый сумматор 19, вычитающий элемент 20 и мэсштэбный множитель 22 из блока управления 26 выдаются запускающие импульсы (фиг,2 д). Масштабный множитель умножителя 22 устанавливается равным 1/2 Лд. (Значение градиентометрической базы Лд выбирается из учета достаточного соотношения по 10 лезный сигнал - шум и соответствует 0,1. - 1 м), Второй сумматор 23 зэвершэет операцию корректирования температуры (фиг. 2 и), значение которой через мультиплексор 15 18, нэ управляющем входе которого устанавливэется сигнэл высокого уровня (фиг,2 ж); зэписывэется в третий регистр 24 (фиг Оперативное запоминающее устройство мождт быть организовано нэ интегрэльных микросхемах К 155 РУ 2, К 565 РУЗ, вкачестве регистров можно использовать интегральные микросхемы К 155 ИР 1, мультиплексора - К 531 КП 2, К 531 КП 11.Функции блока индикации может выполнять, например, цифровой вольтметрили дисплей,Для вычисления солености морской среды в процессе зондирования удобно воспольэОвэться степенным мнОГОчленом,рэзрэботэннь 1 м по методике Брамсонэ М.А,50 55 2 э) и поступает на второй вход вычислителясолености 21, текущее значение глубины Н 1.20 и грэдиентэ темперэтуры угад Т заноситсясоответственно во второй 17 и в первый 16ретистры после выполнения операций первым сумматором 19 и вычитэющим элементом 20 (фиг, 2 к).25 Через выхоцной мультиплексор вычислителя солености 21 выводятся коды давления, температуры, электропроводности исолености на блок индикации 25, синхронизируемый блоком управления 26 (фиг. 2 л),30.Устройство позволяет также выводить наблок индикации 26 откорректированноезнэчение температуры (фиг, 2 м),Пример реализации устройства, В комплексе используются стандартные датчики35 следующих типов; датчик температурыпредстэвляет собой термометр сопротивления, датчик давления мембранный тенэометрический, датчик электропроводностикондуктометрический или контактный,40. В качестве усилителя могут быть использованы серийные интегральные операционные усилители, например, серлй К 140,К 284, К 544 и др а в качестве коммутатора иАЦП - интегрэльные схемы серий К 543,45 К 590, К 572, К 1108,=о 1=0если+) 4,Структурная схема вычисления солености, реализующая данный алгоритм, приведена на фиг, 3; на фиг, 4 приведены временные диаграммы функционирования данного структурного блока.В ПЗУ 27 (см, фиг. 3) занесены коды коэффициентов полинома для вычисления солености 5 в такой последовательности;аоо, ао 1,а 02 аоз ао 1а 01 а 02 а 03а 11 а 12 а 10 и т.д. а 10 а 11 Когда выполнен ввод информации от всех датчиков и коды данных с этих датчиков занесены в ОЗУ 15, блок управления 26 выдает серию импульсов для управления работой вычислителя 21(см, фиг. 2 н).В качестве множительного устройства 28 можно использовать микросхему К 155 ИПЗ, выход которой соединен с регистром К 155 ИР 1, используемым для хранения результата, Если на управляющие входы 51 - ЯЗ этой микросхемы постоянно подан сигнал низкого уровня, тогда изменение сигнала на входе ЯО позволит выполнять две операции; передачу первого операнда без изменений на выход микросхемы и перемножение двух величин, Накапливающий сумматор 29 представляет собой сумматор типа К 155 ИУ, выход которого соединен с входом регистра, например, К 155 ИР, зались в который осуществляется от блока управления 26.Процесс вычисления солености начинается с занесения в регистр накапливающего сумматора 29 кода коэффициента, для чего на ПЗУ 27 выдается адрес этого коэффициента; на управляющий вход множителя 28 подается сигнал низкого уровня, а на уйравляющий вход накапливающего сумматора 29 подается импульс управления (фиг. 4 а). Затем на ОЗУ 15 из блока управления выдается адрес параметров Е, электропровод- ность (фиг. 4 б), а на ПЗУ 27 - адрес следующего коэффициента, Через первый 30 и второй 31 мультиплексоры данные йоступают на входные шины множительного устройства 28, а на управляющий вход - сигнал высокого уровня (фиг, 4 в), Результат поступает на сумматор 29 (фиг, 4 г), На следующем шаге из ПЗУ 27 извлекается следующий коэффициент, Для получения степеней выше первой, например, Е мультиплексор М 2 31 переключается на прием информации по второму входу (фиг;4 д), т.е. на второй вход множителя 28 поступает результат предыдущей. операции, а на первом входе установлено то же значение, например, Е, После завершения расчетов полученные и исходные данные выдаются управления добавляются 3 восьмиразрядных регистра К 589 ИР 12, выходы которых соединяются с управляющими входами всех структурных элементов бортового устройства,Электрическая схема блока управления, представленная на фиг, 5, содержит микропроцессор 33 (К 18116 РВЕО 35), постоянное запоминающее устройств 34(К 573 РФ 2) и че 40 тыре регистра 35 - 38 (К 589 ИР 12). В соответствии с программой, записанной в ПЗУ45 блока управления на регистры 36 - 58 выдаются серии управляющих импульсов, изображенные на фиг, 2 и 4,Блок управления может быть такке выполнен на программируемых логических матрицах КР 588 ВУ, Схема должна содержать счетчик, который считает такты работы зондирующего устройства и позволяет выбрать программу из логической матрицы,соответствующую режиму работы каждого такта. При этом блок управления представляет собой простой автомат с памятью. Кроме того, функции блоков 15-24, 26 могут быть выполнены микройроцессорным вычислителем на базе МП комплекта КР 588 (комплект "Дипломат" ), Схема процессора и на блок индикации 25 через третий мультиплексор 32, на который из блока управления 26 поступают соответствующие управляющие сигналы (фиг. 4 е);15Блок управления 26 может быть реализован на микропроцессорной базе. Рассмотрим наиболее простую реализацию, например, на базе однокристалльного микропроцессора К 1816 (РВЕ 035), Принципи альная схема такого устройства приведенав техническом паспорте микросхемы РВ ЕО 35.Кристалл микросхемы содержит практически все узлы, необходимые для автоном ной работы, за исключением ПЗУ команд,поэтому принципиальная схема устройсва помимо основного микропроцессора включает микросхему внешнего ПЗУ К 573 РФ 2 емкостью 2 К восьмиразрядных слое и еось миразрядный буферный регистр обмена,Для управления предлагаемым зондирующим устройством требуется порядка 23 сигналов, Поэтому для выполнения поставленной задачи в микропроцессорный блок1117 инструкция к эксплуатации даны в технической документации МП комплекта.Таким образом; вычисление параметров Я, реализуемое предлагаемым устройством, позволяет повысить скорость : зондирования; уменьшить динамическую погрешность измерительных аналов, а значит, повысить точность определения солености, отражать результаты в реальном масштабе времени и получить большее число данньх, Кроме того, предлагаемое уст- роЙСтвО Может бить использовано при вычислении такйх параметров водной среды, как плотность р и показатель преломления и. Дпя чего достаточно ввести требуемые каэффицленты полинамов в постоянное запоминающее устролство вьчислителя солености 21 и соответствующим образом откорректировать алгоритм, записанный в ПЗУ блока управления 26,Формула изобретения 1. Устройство для определейия распределения солености воды по глубине, содержа 1 цее погружаемое устройство с уста,двленными на нем коммутатором, аналого-цифровым преобразователем, прлемопередатчиом, усилителями, датчиками , .температуры, давления и электропровадности, выходы каторьх через усилителл подключенык входу коммутатора, а выход коммутатора через аналого-цифровой преобразователь к приемопередатчику, а также бортовое устройство, включающее борювой приемопередатчик и блок индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения скорости зондирования, в пагружаемае устройство введен дапопнитепь" ныл датчик температуры, дифференциальновкпоченный совместно с другим датчиком квходу дополнительного усилителя, выходкоторого подключен к входу коммутатора, а5 в бортовое устройство введены оперативное запоминающее устройство, три регистра, мультлплексор, вычислитель солености,два сумматора, вычитаащий элемент, масштабный множитель и блок управления, при 10 чем входы первого и второго регистров ипервые входы мультиплексора, первого сумматора, вычитающега элемента и вычислителя солености через оперативноезапоминающее устройства соединены с вы 15 кодом бортовога приемопередатчика, выходы первого и второго регистров соединены .с вторыми входами первого сумматора ивычитающега элемента соответственна, вь- ходы которых соединень с первым и вторым20 входами масштабного множителя соответственна, выход которого соединен с первымвходом второго сумматора, выход которогосоединен с вторым входом мультиплексора,выход которого через третий регистр соеди 25 нен с вторым входом второго сумматора ивходам вычислителя солености, выход которого соединен с входом блока индикации,выходы блока управления саедлнены с синхронизйрующими входами всех структур 30 ных элементов бортового устройства.2, устройства па и, 1, а т л и ч а ю щ е ес я тем, чта допа, нительный датчик температуры установлен с возможностью перемещения его по штоку относительно группы35 основных датчиков на величину требуемойградлентаметрической базы в направлениизандлравания,