ЗОНД ГИДРОЛОГО-ОПТИКО-ХИМИЧЕСКИЙ
HYDROLOGICAL-OPTICAL-CHEMICAL PROBE

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании и изготовлении океанологических многоканальных информационно-измерительных комплексов и разработке новых измерительных каналов.
Уровень техники
Анализируя уровень автоматизации океанологических экспериментальных исследований в нашей стране, отметим период 60 - 70-х годов, когда наибольший интерес представляли системы сбора и обработки данных, построенные аналогично информационно-измерительным системам стандарта САМАС, созданного под руководством академика Нестерихина Ю.Е. Они находили широкое применение в различных областях автоматизации экспериментальных исследований в связи с тем, что имели гибкую легко меняющуюся структуру, хорошо разработанное программное обеспечение и оперативно могли быть перестроены на новую программу экспериментальных исследований. Широкое применение информационно-измерительные системы на основе стандарта САМАС нашли в биологии и медицине.
В 70х - 80-х годах в Специальном Конструкторско-Технологическом Бюро Морского Гидрофизического Института АН УССР (СКТБ МГИ АН УССР) на основе анализа экспериментальных задач современной океанологии с учетом уровня имеющейся измерительной техники, средств и методов проведения экспериментальных исследований в других областях знаний, комплексно решена задача автоматизации сбора и обработки экспериментальных данных для всего спектра пространственно-временной изменчивости параметров физических полей океана. Была создана система проектирования океанологических измерительных комплексов, построенных по модульному принципу, разработана базовая структурная схема для построения на её основе модульных измерительных комплексов океанологических параметров. Все основные направления работ выполнены на принципиально новом техническом уровне и защищены 8 авторскими и 17 патентами на изобретения.
Созданы зондирующие, буксируемые, автономные и специальные информационно-измерительные комплексы, проведены их Государственные испытания, все приборы сертифицированы, выпускались серийно и были внедрены в практику океанологических исследований учреждений различных министерств и ведомств нашей страны.
Особое место в создании модульных информационно-измерительных систем океанологических параметров занимало метрологическое обеспечение всего цикла их разработки и аттестации. Работы по сертификации всех измерительных каналов, разрабатывавшихся в СКТБ МГИ, выполнялись совместно с институтами Госстандарта СССР.
Известен «Зондирующий комплекс профиля скорости течений, содержащий измерители, коммутаторы, АЦП, модемы блоки сопряжения и управления, оперативное и программируемое запоминающие устройства, и другие элементы цифровой техники» [1].
Известное устройство имеет низкую скорость передачи информации, сложности в эксплуатации и низкую надёжность.
Известно устройство для морских исследований, содержащее два блока измерительных каналов с датчиками параметров, соединённых через модемы с электрическим каналом в виде кабеля-троса с корабельным регистратором [2]. В данном устройстве хотя и устранено большинство недостатков предыдущего, но оно также несовершенно.
Сущность изобретения
Внедрение в практику экспериментальных исследований океана спутниковых измерительных систем, свободно-дрейфующих поверхностных буев, свободно- дрейфующих буев для вертикального зондирования профилей гидрофизических параметров и измерения скорости течений на заданных горизонтах создали предпосылку к пониманию возможности осуществления мониторинга окраинных морей и больших акваторий Мирового океана. Актуальным стал вопрос о необходимости разработки принципиально новых оптических измерительных каналов и приборов, которые позволяют производить контактные измерения in situ на подспутниковых полигонах и осуществлять определение концентрации взвеси и взвешенного органического вещества в морской воде.
Такие оптические измерительные каналы имеют в своем составе телевизионные или IP-камеры, которые требуют использования высокоскоростных каналов передачи данных (10-1000 Мбит/сек).
В предлагаемом изобретении решается задача создания условий для разработки, изготовления, лабораторных и натурных испытаний новых оптических измерительных каналов in situ для идентификации и регистрации количества взвеси и взвешенного органического вещества в морской воде.
Проведение лабораторных и натурных испытания этих измерительных каналов требует использования высокоскоростных каналов передачи данных (10-1000 Мбит/сек). Проведение испытаний на глубинах до нескольких тысяч метров требует использования высокоскоростных каналов передачи данных соответствующей длины, что обеспечивается использованием волоконно-оптической линий связи.
Основным элементом создаваемого гидролого-оптико-химического комплекса является его функциональная схема, которая должна:
обеспечить интеграцию в своем составе существующих на данный момент гидрофизических измерительных каналов;
обеспечить лабораторные и натурные испытания вновь создаваемых оптических измерительных каналов совместно с другими гидрофизическими измерительными каналами, с целью исследования влияния изменчивости граничных гидрофизических условий в районе проведения экспериментов, на их метрологические характеристики;
содержать в своем составе совмещенные в кабель-тросе линии электрической и волоконно-оптической связи.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для морских исследований, содержащим блок гидрофизических измерительных каналов, центральный контроллер, первый и второй модемы электрической линии связи, кабель-трос с электрической и волоконно-оптической линиями связи, вращающийся электрический переход, электрическую лебедку, рабочее место оператора, блок оптических измерительных каналов, введён блок нормализующих контроллеров, причем каждый гидрофизический измерительный канал через соответствующий нормализующий контроллер соединен с центральным контроллером, кроме того, введены первый и второй многовходовые оптические модемы и вращающийся оптический переход, причем каждый оптический измерительный канал соединен с соответствующим входом первого многовходового оптического модема, подключенного через оптико-волоконную линию связи кабель-троса к вращающемуся оптическому переходу, соединённому со вторым многовходовым оптическим модемом, подключенным к рабочему месту оператора.
Возможность осуществления
Структурная схема созданного авторами гидролого-оптико-химического комплекса представлена на Фиг. 1.
В состав комплекса входят:
1 - блок гидрофизических измерительных каналов
2 - блок нормализующих контроллеров
3 - центральный контроллер
4 - первый модем электрической линии связи
5 - кабель-трос (содержит электрическую и волоконно-оптическую линии связи)
6 - вращающийся электрический переход
7 - электрическая лебедка
8 - второй модем электрической связи
9 - рабочее место оператора
10 - блок оптических измерительных каналов
11 - первый многовходовый оптический модем
12 - вращающийся оптический переход
13 - второй многовходовый оптический модем.
Блок гидрофизических измерительных каналов 1 содержит гидрофизические измерительные каналы с порядковыми номерами 1-6(температуры и электропроводности воды, гидростатического давления, скорости звука в морской воде, показателя ослабления направленного света, растворенного в воде кислорода) и резервные гидрофизические каналы.
Блок нормализующих контроллеров 2 содержит нормализующие контроллеры для гидрофизических измерительных каналов с номерами 1- 6 и для резервных гидрофизических каналов.
Подключение гидрофизических измерительных каналов осуществляется с помощью нормализующих контроллеров. Каждый нормализующий контроллер осуществляет прием измерительной информации от соответствующего измерительного канала по его протоколу передачи данных и её переработку в унифицированное слово данных, считываемое центральным контроллером 3.
Центральный контроллер 3 считывает унифицированные слова данных с нормализующих контроллеров и формирует из них пакеты данных измерений, которые через первый модем электрической линии связи 4, электрическую линию связи кабель- троса 5, вращающийся электрический переход 6, второй модем электрической линии связи 8 направляются на рабочее место оператора 9.
Блок оптических измерительных каналов 10 содержит оптические измерительные каналы (с порядковыми номерами 1 - 2 и резервные каналы), требующие использования высокоскоростной передачи данных (10-1000 Мбит/сек).
Информация от оптических измерительных каналов через первый многовходовый оптический модем 11 и по волоконно-оптической линии связи кабель-троса 5, через вращающийся оптический переход 12 поступает на второй многовходовый оптический модем 13 и далее направляется на рабочее место оператора 9.
Вращающийся электрический переход 6 и вращающийся оптический переход 12 вращаются электрической лебедкой 7.
Характеристики блока нормализующих контроллеров:
Интерфейсы подключаемых измерительных каналов:
RS232, 0-5В 16 бит
Количество нормализующих контроллеров:
до 32
Формат данных встроенных часов:
год, месяц, день, час, минуты, секунды, миллисекунды
Время опроса одного
нормализующего контроллера:
не более 1 мсек
Выходное слово данных нормализующего контроллера:
8 байт
Представленная структура гидролого-оптико-химического комплекса позволяет:
обеспечить интеграцию в своем составе любых существующих измерительных каналов;
обеспечить функционирование в своем составе новых оптических измерительных каналов;
проводить лабораторные и натурные испытания новых оптических измерительных каналов;
создавать методики измерений новыми оптическими измерительными каналами в комплексе с другими гидрофизическими измерительными каналами;
исследовать влияние изменчивости граничных гидрофизических условий в месте проведения испытаний на метрологические характеристики новых оптических измерительных каналов.
Литература
1. Б.А. Нелепо, Г.В. Смирнов, А.Б. Шадрин и др. Интегрированные системы для гидрофизических исследований. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1990 г., 240 стр.
2. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д., Коротаев Г.К., Ястребов B.C., Мотыжев С.В. «Океанология. Средства и методы океанологических исследований». Наука, Москва, 2005, 795 стр.
3
3. А.с. 1070484 СССР, МКИ G01P5/11. Зондирующий комплекс профиля скоростей течения / Г.В. Смирнов, В.М. Кушнир, А.Б. Шадрин, Б.В. Шамрай. № 3502837/18-10. Заявл. 22.10.82; опубл.30.02.83; бюл. №4
3
4. А.с. 1163272 СССР, МКИ G01P5/00. Комплекс автономных измерителей течения/ Г.В. Смирнов, В.М. Кушнир, А.Б. Шадрин и др. № 3689340/214/10. Заявл. 05. 11. 83; опубл.23.06.85; бюл. № 23.