КОНФОРМНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ВОДЫ

Полезная модель относится к области исследования гидрофизических параметров морской воды и может быть использована в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых на подвижных носителях, для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, а также косвенных измерений таких параметров как соленость морской воды, скорость распространения звука в морской воде, плотность морской воды и т.д.
Практика современных океанологических исследований показывает, что при решении ряда задач необходимы прецизионные измерения и оперативная обработка различной гидрофизической информации в реальном масштабе времени на борту носителя аппаратуры при длительной эксплуатации. Основной целью подобных исследований является построение информационных карт гидрологических полей, изучение их временной и пространственной изменчивости, тонкой структуры, выявление аномальных гидрофизических зон и др.
Эффективность океанологических исследований определяется техническими характеристиками используемой измерительной техники - диапазоном измерений гидрофизических параметров, чувствительностью, погрешностью измерений, а также надежностью измерительных средств и состоянием их метрологического обеспечения.
Известны различные системы, предназначенные для анализа состояния морской среды [1-10], содержащие преобразователи гидрохимико-физических параметров водной среды и регистрирующую аппаратуру. Аппаратура обеспечивает сбор и обработку данных с преобразователей гидрофизических параметров и регистрацию результатов обработки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому преобразователю гидрофизических параметров морской воды и выбранным в качестве прототипа является преобразователь гидрофизических параметров водной среды, входящий в состав системы измерительной химико-физических параметров водной среды и описанный в описании полезной модели [11]. Преобразователь-прототип содержит контактный преобразователь удельной электрической проводимости водной среды, преобразователь температуры, преобразователь водородного показателя,
преобразователь значения окислительно-восстановительного потенциала, электрод сравнения, преобразователь массовой концентрации растворенного кислорода, преобразователь глубины, автономный двуполярный источник напряжения питания, запитывающий повторители напряжения, входящие в состав преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала и электрода сравнения, и аналого-цифровой преобразователь с контроллером интерфейса RS-485 на выходе, при этом первичные измерительные преобразователи контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения, общий для преобразователя водородного показателя и преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, установлены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды, первичный измерительный преобразователь (ПИП) контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды имеет форму обтекаемого тела вращения, расположен соосно корпусу преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, и содержит пару токовых электродов, один из которых имеет круглую форму и расположен в носовой части ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, а другой образован корпусом ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, и пару кольцевых потенциальных электродов, расположенных между токовыми электродами соосно этим электродам и изолированных один от другого и от токовых электродов, ПИП преобразователя температуры выполнен из тонкой изолированной медной проволоки, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, один из которых образован выступом в корпусе ПИП преобразователя температуры, а другой герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом ПИП преобразователя температуры, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания жидкости внутри первого полого тонкостенного цилиндра, ПИП преобразователя водородного показателя выполнен в виде электрода для определения водородного показателя, к которому подключен повторитель напряжения электрода для определения водородного показателя, ПИП
преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала выполнен в виде платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, к которому подключен повторитель напряжения платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, ПИП преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода, выполнен в виде двухэлектродной ячейки для определения массовой концентрации растворенного кислорода, к выходу которой подключен преобразователь ток-напряжение, ПИП преобразователя глубины выполнен в виде тензометрического мостового преобразователя давления, первичные измерительные преобразователи преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения расположены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды вокруг ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, выходы контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, электрода сравнения, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, вход-выход контроллера интерфейса RS-485 соединен последовательным каналом связи с соответствующим входом-выходом электронно-вычислительной машины, которая выполнена с возможностью обработки данных, получаемых от преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, визуализацию обработанных результатов измерения, архивирование и документирование измерительной информации.
Недостатками известного преобразователя параметров водной среды является ограниченные возможности применения для измерения гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях из-за недостаточной точность измерения параметров в следствие искажений, вносимых возмущенностью потока жидкости вблизи преобразователя.
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности измерений гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях путем исключения возмущения потока морской воды вблизи преобразователя.
Сущность полезной модели заключается в том, что преобразователь гидрофизических параметров морской воды содержащий, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, преобразователь температуры морской воды и преобразователь давления, дополнительно содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, диэлектрический корпус ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к ПИП давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса ПИП бесконтактного преобразователя УЭП со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения, связанный с герметичным кабельным вводом для подключения кабеля связи.
Сущность полезной модели поясняется чертежами на которых представлены:
на фиг.1 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид);
на фиг.2 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид со снятым кожухом);
на фиг.3 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (вид сбоку в поперечном сечении);
на фиг.4 - схема бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;
на фиг.5 - конструкция ПИП преобразователя температуры.
На чертежах обозначено:
1 - измерительный блок;
2 - ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;
3 - ПИП преобразователя температуры морской воды;
4 - ПИП давления;
5 - блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения;
6 - кожух;
7 - отверстие для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;
8 - отверстие для установки ПИП преобразователя температуры морской воды;
9 - отверстие для отвода морской воды;
10 - отверстие, обеспечивающее доступ воды в ПИП давления;
11 - герметичный кабельный ввод;
12 - питающий трансформатор;
13 - измерительный трансформатор;
14 - диэлектрический корпус бесконтактного преобразователя УЭП;
15 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12;
16 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13;
17 - объемный жидкостной виток связи;
18 - источник переменного напряжения;
19 - усилитель;
20 - детектор;
21 - медная проволока,
22 - первый тонкостенный цилиндр,
23 - второй тонкостенный цилиндр,
24 - корпус ПИП преобразователя температуры,
25 - наклонные отверстия в корпусе ПИП преобразователя температуры,
26, 27 - сварные швы,
28, 29 - контакты ПИП преобразователя температуры,
В обтекаемом кожухе 6 для каждого измерительного блока выполнены отверстия 7 и 8 для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП преобразователя температуры морской воды соответственно, а также отверстия 9 для отвода морской воды.
Бесконтактный преобразователь УЭП морской воды содержит питающий и измерительный трансформаторы 12 и 13, размещенные в диэлектрическом корпусе 14, источник 18 переменного напряжения подключенный к обмотке 15, расположенной на
тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12, последовательно соединенные усилитель 19, вход которого подключен к обмотке 16, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13, и детектор 20, выход которого является выходом бесконтактного преобразователя УЭП. Объемный виток 17 связи на фиг.4 показан условно ограниченным. В действительности границы объема морской воды, участвующие в его образовании, неопределенны. Источник 18 переменного напряжения, усилитель 19 и детектор 20 входят в состав блока 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения и расположены в герметичной зоне измерительных блоков.
ПИП 3 преобразователя температуры (см. фиг.5) выполнен из тонкой изолированной медной проволоки 21, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами 22 и 23, один из которых (первый цилиндр 22) образован выступом в корпусе ПИП 3, а другой (второй цилиндр 23) герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром 22 и корпусом 24 ПИП 3, в котором выполнены наклонные отверстия 25 для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра 22. Герметичность соединения тонкостенных цилиндров 22 и 23 обеспечивается сварными швами 26 и 27. Сигнал ПИП 3 выдается на контакты 28 и 29.
ПИП 4 преобразователя давления может быть выполнен в виде тензометрического преобразователя давления.
Блок 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения представляет собой набор печатных плат преимущественно круглой формы, на которых реализованы источник 18 переменного напряжения, усилитель 19, детектор 20, а также измерительные усилители для ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления, выходы которых и выход детектора 20 подключены к входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого является выходом ПГФП морской воды. При этом АЦП может иметь встроенный контроллер интерфейса передачи данных, например, интерфейса RS-232, RS-485, MIL-STD-1553 и т.п.
Блок 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения также может содержать устройство обработки, в качестве которого может использоваться микропроцессор, микроконтроллер или электронно-вычислительная машина. В этом случае выход АЦП подключен в входу устройства обработки, а выходом ПГФП морской воды является выход устройства обработки.
Устройство обработки может быть выполнено с возможностью хранения
собранных данных, а также с возможностью вычисления солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды и т.п.
Преобразователь гидрофизических параметров морской воды работает следующим образом. Преобразователь перемещается в морской воде (например, установлен на подвижном носителе). Морская вода попадает во входные отверстия ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и проходит соответственно через ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды. Также вода проникает через отверстия 10, обеспечивающие доступ воды к ПИП 4 давления и создает на него гидростатическое давление.
Бесконтактный преобразователь УЭП работает следующим образом. Под действием переменного напряжения, в частности, частотой 16 кГц в объемном жидкостном витке 17 связи, охватывающем тороидальные сердечники питающего и измерительного трансформаторов 12 и 13, возбуждается ЭДС и протекает ток, пропорциональный измеряемой УЭП морской воды. Этот ток приводит к появлению тока в обмотке 16 измерительного трансформатора 13, работающего в режиме трансформатора тока. Выходной токовый сигнал измерительного трансформатора 13 усиливается, детектируется и поступает на выход преобразователя УЭП в виде напряжения, пропорционального измеряемой УЭП.
Сигналы ПИП 2 бесконтактных преобразователей УЭП морской воды, ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления поступают в соответствующие блоки 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения, где усиливаются и преобразуются в цифровую форму. Полученные цифровые данные передаются по каналу связи на выход ПГФП морской воды. Кроме этого блоки 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения могут осуществлять определение расчетным путем солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды. Для этого осуществляется вычисление глубины в функции гидростатического давления с учетом широты:
-4
-4
2
-6
3
-2
2
Н=(99,404+4,983·10φ-2,06·10φ+1,492·10φ)p-2,204·10p,
где р - гидростатическое давление, МПа;
φ - географическая широта, градусы.
Вычисление солености производится по шкале практической солености (ШПС-78) следующим образом:
P
определяется зависимость относительной электропроводности растворов нормальной воды от температуры R:
где χ - удельная электрическая проводимость, мСм/см;
Т - температура, °С;
p
определяется влияние гидростатического давления на относительную электропроводность R:
где R - относительная электропроводность воды с соленостью S [‰], температурой Т [°С] при давлении р [МПа] по отношению к стандартному раствору КСl при 15°С или эквивалентного ему раствора нормальной морской воды.
χ(35,15,0)=49,911 мСм/см;
T
определяется R - относительная электропроводность воды с соленостью S [‰], температурой Т [°С] при атмосферном давлении по отношению к раствору нормальной морской воды при той же температуре
вычисляется практическая соленость S:
Плотность морской среды вычисляют по международному уравнению состояния морской воды УС-80.
3
Плотность ρ, (кг/м), морской воды в функции практической солености S, температуры Т и гидростатического давления р определяют по формуле
где K(S, T, p) - средний модуль упругости морской воды;
3
ρ - плотность, кг/м;
Т - температура, °С;
S - соленость, ‰;
р - гидростатическое давление, МПа.
Плотность морской воды при атмосферном давлении (р=0) определяют по соотношению
ω
0
1
2
3
4
0
1
2
0
2
3
4
2
3/2
2
ρ(S,T,0)=ρ+(b+bT+bT+bT+bT)S+(c+cT+cT)S+dS,
0
1
2
3
-1
-3
-5
-7
где b=8,24493·10; b=-4,0899·10; b=7,6438·10; b=-8,2467·10;
4
0
1
2
-9
-3
-4
-6
b=5,3875·10; c=-5,72466·10; с=1,0227·10; с=-1,6546·10;
0
-4
d=4,8314·10.
ω
Плотность эталонной чистой среднеокеанической воды ρ определяют по формуле
ω
0
1
2
3
4
5
2
3
3
5
ρ=а+аТ+аТ+аТ+аТ+аТ,
0
1
2
3
-2
-3
-4
где a=999,842594; а=6,793952·10; a=-9,095290·10; а=1,001685·10;
4
5
-6
-9
а=-1,120083·10; а=6,536332·10.
Средний модуль упругости морской воды определяют по формуле
2
K(S,T,p)=K(S,T,0)+Ap+Bp,
ω
0
1
2
3
0
1
2
2
3
2
3/2
где K(S,T,0)=K+(f+fT+fT+fT)S+(g+gT+gT)S;
0
1
2
3
-2
-3
-6
f=5,46746; f=-6,03459·10; f=1,09987·10; f=-6,1670·10;
0
1
2
-3
-3
-5
g=7,944·10; g=1,6483·10; g=-5,3009·10;
ω
0
1
2
0
2
3/2
A=A+(i+iT+iT)S+jS;
0
1
2
0
-3
-5
-6
-4
i=2,2838·10; i=-1,0981·10; i=-1,6078·10; j=1,91075·10;
ω
0
1
2
2
B=B+(m+mT+mT)S;
0
1
2
-6
-7
-9
m=-9,9348·10; m=2,0816·10; m=9,1697·10;
ω
0
1
2
3
4
2
3
4
К=е+еТ+еT+еT+еT;
0
1
2
3
-1
-3
e=1965,221; е=14,84206; e=-2,327105·10; e=1,360477·10;
4
-6
e=-5,155288·10;
ω
0
1
2
3
2
3
A=h+hT+hT+hT;
0
1
2
3
-3
-4
-7
h=3,239908; h=1,43713·10; h=1,16092·10; h=-5,77905·10;
ω
0
1
2
2
B=k+kT+kT;
0
1
2
-4
-5
-7
k=8,50935·10; k=-6,12239·10; k=5,2787·10.
Скорость звука вычисляется в зависимости от температуры, гидростатического давления и солености по формуле:
-2
2
С=1402.3874+5.0383617·Т-5.8117292·10·T+
-4
3
-6
4
+3.3463882·10·T-1.4825967·10·T+
-9
5
-2
+3.1658502·10·T+(1.391098228-1.2998507·10·T+
-4
2
-7
3
+1.25843366·10·T-4.9459941·10·T)·S+
-2
-4
+(-1.9755249·10-1.1412619·10·Т+
-6
2
3/2
-3
+4.02435713·10·T)·S+(1.7058269·10+
-5
-7
2
2
+1.54245467·10·T-6.6810333·10·T)·S+
-3
-4
2
+p·(1.4994347+8.1039755·10·T-1.1169791·10·Т+
-6
3
-9
4
+1.72922898·10·T-7.6999585·10·T+
-3
-4
+(3.0944321·10-1.8902101·10·Т+
-6
2
-8
3
+3.82065283·10·Т-3.6174469·10·T)·S+
-6
-6
+(-9.5720141·10+1.04551722·10·T-
-8
2
-10
3
2
-4.2767723·10·T+6.62068325·10·T)·S)+
2
-3
-4
+р·(3.969523·10-2.0048177·10·T+
-6
2
-8
3
+3.2856051·10·Т-3.340451345·10·T+
-10
4
-5
+1.37256278·10·T+(-4.9583140·10+
-6
-8
2
+1.67823060·10·T-1.4579402·10·Т)·S)+
3
-5
-7
+р·(-1.5235495·10+6.6311236·10·T-
-8
2
-10
3
-1.0555834·10·T+1.0503105·10·T-
-13
4
-7
-4.5780857·10·T+(2.31706232·10-
-9
-11
2
-8.0557016·10·Т+7.7763909·10·T)·S),
где С - скорость звука, м/с;
Т - температура, °С;
S - соленость, ‰;
р - гидростатическое давление, МПа.
В результате использования полезной модели за счет снижения возмущения потока воды повышена точность измерения гидрофизических параметров морской воды, а также точность определения гидрофизических параметров морской воды, получаемых расчетным путем.
Таким образом, представленные чертежи и описание позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить ПГФП морской воды промышленным способом и использовать его в составе специализированных комплексов или систем для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В.П.Буторин и др. Аппаратура сбора и обработки информации для автоматических контрольно-замерных станций систем контроля окружающей среды типа "АНКОС" / Сб. докл. Семинар Автоматизация контроля загрязнения окружающей Среды. - М.: МДНТП. - 1988.
2. Система мониторинга качества воды / Нихон мусэн тихо // GRE Rev. - 1988, №26. - С.14-20.
3. Система для мониторинга приповерхностных вод/ Fukuchi Mitsuo, Hottori Hitoshi. - Proc. NIPR Symp. Polar Biol. - 1987, 1. - С.47-55.
4. Burr P. An instrumented underwater towed vehicle. Oceanology internationale 69. Conf. technical sessions, day 1. - Brighton. - 1969 (Англия).
5. Analysis of Exploration of Mining Technology for Manganese Nodyles / Seabed Minerals Sessions. - Vol.2. - United Ocean Economics and Technology Branch (Published in cooperation with the United Nations by Graham & Trotman Ltd.). - 1984. - P. 20, fig. 3.
6. Патент РФ №2030747 на изобретение, МПК G 01 N 33/18, 1990 г.
7. Свидет. РФ №301 на полезную модель, МПК В 63 В 38/00, 1993 г.
8. Свидет. РФ №2797 на полезную модель, МПК В 63 В 35/00,1996 г.
9. Свидет. РФ №3041 на полезную модель, МПК G 01 N 27/00, 1996 г.
10. Авт. свидет. СССР №1029063 на изобретение, МПК G 01 N 27/02, 1981 г.
11. Свидет. РФ №29376 на полезную модель, МПК G 01 N 27/00, 2003 г. (прототип).