Компактный буй для измерения статистических характеристик коротких поверхностных волн на морской поверхности

Полезная модель относится к области исследования динамики морской поверхности, в частности, полезная модель относится к устройствам для измерения параметров морского волнения и может быть использована при наблюдениях с борта судна, а также с неподвижных морских платформ.
Для определения параметров поверхностных волн в открытом море обычно используют заякоренные буи, имеющие измерители собственных ускорений и вектора магнитного поля, с помощью которых определяются характеристики перемещения буя, вызванного волновым воздействием, в системе координат, связанной с магнитным полем Земли [1-4]. Измеренные параметры пересчитываются в стандартные гидрометеорологические характеристики (высота, направление, период значимых волн, энергетический спектр волнения), которые аккумулируются в памяти устройства и/или передаются пользователям по различным каналам связи.
В настоящее время к наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является волновой буй [2], имеющий дисковую форму, снабженный трехосевым датчиком ускорения, трехосевым магнитометром, блоком управления и обработки данных, передатчиком, мачтой для крепления передающей антенны, якорем и плавучим стабилизирующим якорем. Буй ставится на якоре в заданной точке и работает в автономном режиме. Стабилизирующий плавучий якорь служит для уменьшения вращательных колебаний в горизонтальной плоскости. Параметры волнения, рассчитанные процессором внутри устройства, передаются по радиоканалу на берег или на судно.
К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести большие габариты корпуса и наличие мачты, которые исключают измерения в коротковолновой области спектра, а также вносят искажения в измерения за счет собственных колебаний, частота которых попадает в спектр поверхностных гравитационных волн. Большие габариты также увеличивают время, необходимое для проведения измерений на океанографических станциях.
Полезная модель отличается упрощенной конструкцией и позволяет решать задачу измерения параметров морского волнения в коротковолновой области спектра.
Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, заключается в возможности измерений в коротковолновой области спектра морского волнения. Технический результат достигается благодаря уменьшению габаритов устройства, за счет упрощения его внутренней архитектуры, а также измерения угловых скоростей вращательных движений.
Сущность полезного устройства состоит в том, что данное устройство содержит существенные признаки, общие с прототипом, но при этом имеет свои отличительные признаки. Так, корпус прибора имеет форму диска и снабжен трехосевым датчиком ускорения и магнитометром, блоком управления, источником питания, а также блоком передачи данных. Для получения необходимого технического результата в известном устройстве для измерения параметров морского волнения, имеющем дисковую форму, снабженном трехосевым датчиком ускорения, трехосевым магнитометром, блоком управления, блоком обработки данных, передатчиком, мачтой для крепления передающей антенны, якорем и плавучим стабилизирующим якорем, предлагается уменьшить габариты корпуса за счет исключения блока обработки данных, уменьшения энергоемкости источника питания, а также убрать якорь и стабилизирующий плавучий якорь, вместо которых использовать датчики угловых скоростей и ускорений, позволяющие учитывать вращательные движения корпуса при обработке данных. В результате корпус устройства может представлять собой цилиндр, высота которого существенно меньше диаметра основания, что приводит к тому, что собственные частоты колебательных движений корпуса на морской поверхности лежат вне измеряемого спектра волнения и не искажают его.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели достаточна для достижения результата, связанного с измерением параметров морского поверхностного волнения в коротковолновом диапазоне.
На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства (А - общий вид, Б - блок-схема).
1 - водонепроницаемый корпус; 2 - антенна; 3 - фал; 4 - аккумулятор; 5 - выключатель; 6 - блок управления; 7 - передающий модуль; 8 - трехосевой датчик ускорения и угловой скорости; 9 - трехосевой магнитометр.
Конструкция предлагаемого буя состоит из следующих основных частей (деталей). Водонепроницаемый корпус 1 изготовлен из пластмассы, имеет диаметр 20 см и высоту 3 см. Сверху корпус закрыт герметизированной крышкой с отверстием в центре, в котором через водонепроницаемую манжету крепится передающая антенна. К корпусу через вертлюг крепится нейлоновый фал 3, диаметр которого составляет 0,5 мм. Внутри корпуса находятся литий-ионные аккумуляторы 4, соединяющиеся через магнитный переключатель 5 с блоком управления б. Трехосевой датчик ускорения и угловых скоростей 8 расположен на вертикальной оси симметрии корпуса. Центр тяжести расположен ниже центра плавучести, при этом оба находятся на вертикальной оси симметрии корпуса. Трехосевой магнитометр 9 расположен в одной плоскости с датчиком 8. Сигналы датчиков 8 и 9 через блок управления 6 поступают в передатчик 7.
Устройство работает следующим образом. В режиме ожидания буй находится в специальном футляре, имеющим на дне магнит, который размыкает магнитные контакты переключателя 5. Для начала работы буй достают из футляра, при этом контактные переключатели замыкаются, включая тем самым прибор. Для измерений буй крепят с помощью нейлонового фала к безинерционной лебедке и выбрасывают за борт так, чтобы антенна находилась сверху. По мере свободного дрейфа буя вытравливают фал так, чтобы он все время имел слабину. Сигналы датчиков регистрируются и обрабатываются на борту судна с помощью персонального компьютера. По завершении измерений буй поднимают на борт с помощью фала.
Прототип предлагаемого буя испытывался в лабораторных условиях, в результате чего удалось регистрировать сигналы датчиков на расстоянии до 300 м. При этом размеры корпуса таковы, что возможно измерение параметров волн длиной 40 см и более, в то время как нижний предел для известных образцов составляет несколько метров.
Литература:
1. Пыхов Н.В. Динамические процессы береговой зоны моря // 2003, М.: Научный мир ISBN: 5-89176-197-1, с. 312.
2. Патент US 4515013A США / Jean-Pierre Hue; Apparatus for measuring the vertical acceleration due to the swell, опубл. 07.05.1985.
3. K.E. Steele, Chung-Chu Teng, D.W.C. Wang, Wave direction measurements using pitch-roll buoys // 1992, Ocean Engineering, Vol. 19, Iss. 4, pp. 349-375.
4. NDBC, 2009: Handbook of Automated Data Quality Control Checks and Procedures NDBC Technical Document 09-02, NDBC, Stennis Space Center, MS, 78 pp. [Available on-line at http://www.ndbc.noaa.gov/NDBCHandbookofAutomatedDataQualityControl2009.pdf]