СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
MEASUREMENT SYSTEM OF VERY DEEP HYDROLOGICAL PARAMETRES

Изобретение относится к области исследования гидрологических параметров морской воды, таких как температура, электрическая проводимость, плотность, скорость звука и соленость, в частности к устройствам, запускаемым с плавсредства-носителя, для исследования на больших глубинах.
Задача создания средств и методов оперативного измерения вертикального распределения гидрологических параметров морской воды с плавсредств-носителей до предельных глубин до настоящего времени не имеет оптимального решения и является актуальной.
Системы измерения гидрологических параметров морской воды с использованием обрывных зондов являются одним из основных инструментов, позволяющих определять гидрологические параметры во всей толще морской воды без погружения самого плавсредства на большие глубины.
Проведенный анализ материалов, касающихся зарубежных аналогов систем измерения гидрологических параметров, показывает, что гидрологические обрывные зонды, размещаемые на иностранных подводных лодках, являются одним из основных инструментов контроля гидрологической обстановки на больших глубинах. Количество гидрологических разрезов, снимаемых за время экспедиций, очень большое. Например, в 1999 году за время похода подводной лодки "Hawkbill" продолжительностью 106 суток было выпущено 153 обрывных гидрологических зонда [1].
Широкое применение подобных отечественных систем будет определяться в первую очередь их малой стоимостью, точностью измерения гидрологических параметров, простотой аппаратуры и надежностью при эксплуатации.
Известна система измерения гидрологических параметров на больших глубинах с использованием обрывных зондов (2), содержащая обрывной развертываемый в морской воде зонд, имеющий один или несколько датчиков параметров морской воды, электрически соединенных с помощью провода малого диаметра с устройством запуска, установленным на судне - носителе зонда, например, таким как портативная (ручная) пусковая установка, пусковая установка, смонтированная на палубе, или пусковая установка, установленная внутри корпуса выше ватерлинии. Провод малого диаметра электрически подключен к измерительной аппаратуре сбора данных зонда. Измерительная аппаратура представляет собой систему сбора и анализа данных зонда и может быть, например, устройством, выполненным на основе персонального компьютера.
Недостатком системы является зависимость от погодных условий в момент сброса обрывного зонда и от высоты палубы в месте расположения пускового устройства, что при неблагоприятных условиях, например при шторме или сильном волнении, может приводить к механическим повреждениям обрывного зонда и снижению точности определения глубины его погружения.
Указанные недостатки отсутствуют в наиболее близкой к предлагаемой и выбранной в качестве прототипа системе измерения гидрологических параметров на больших глубинах с помощью обрывных зондов, запускаемых с подводного носителя через кормовой сигнальный эжектор (3), в которой модуль для постановки зонда через кормовой сигнальный эжектор подводного носителя содержит корпус, внутри которого установлены обрывной зонд, катушка, установленная за зондом, несущий элемент, присоединенный к обрывному зонду, несущее тело, имеющее форму, обеспечивающую гидродинамический подъем, грузонесущий кабель для механического соединения несущего тела с подводным носителем, причем несущее тело и грузонесущий кабель сконструированы и расположены таким образом, что несущее тело, когда оно соединено с двигающимся подводным носителем, будет перемещаться в воде на некотором расстоянии над ним, кабель, соединенный с обрывным зондом и, по меньшей мере, частично хранящийся в несущем теле и разматывающийся при движении зонда относительно подводного носителя, и узел разъемного соединения средств для удержания зонда и несущего тела вместе во время их запуска с подводного носителя и последующего отсоединения несущего тела от зонда.
Использование модуля после его размещения в сигнальном эжекторе начинается инициированием проверочного цикла, во время которого проверяется работоспособность датчика температуры. В конце проверочного цикла система переходит в режим запуска, в течение которого труба эжектора наполняется водой. Модуль запускается из подводного носителя посредством традиционной работы сигнального эжектора.
Данная система измерений предполагает постановку модуля вверх и последующее погружение отделившегося зонда до заданной глубины, что увеличивает время постановки, сокращает диапазон глубин измерения относительно горизонта движения подводного носителя, а также приводит к усложнению конструкции в части постановки обрывного зонда и, как следствие, к высокой стоимости постановочного модуля, полностью теряемого после использования.
Еще один недостаток - невысокая точность результатов измерений вследствие невозможности проведения калибровки датчика обрывного зонда непосредственно перед его сбросом, из-за отсутствия в системе высокоточных калибровочных средств.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений, увеличении глубины измерений и упрощении конструкции теряемой при сбрасывании постановочной части обрывного зонда.
Для достижения указанного технического результата в системе измерения гидрологических параметров на больших глубинах, содержащей установленный на плавсредстве-носителе с возможностью сбрасывания обрывной зонд, средства обработки получаемой информации и канал связи для передачи измеренных данных с обрывного зонда, выполненный с использованием катушки, обеспечивающей его функционирование, в соответствии с изобретением, сброс обрывного зонда осуществляется через постановочное устройство, содержащее корпус с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично установленный в корпусе плавсредства-носителя, в его нижней части, с жестко зафиксированной в нем направляющей гильзой, предназначенной для последовательной постановки в ней обрывного зонда, бортовой катушки канала связи с толкателем и эталонных средств измерения, соединенных каналом связи со средствами обработки получаемой информации, при этом канал связи для передачи измеренных данных с обрывного зонда соединяет его с эталонными средствами измерения или непосредственно со средствами обработки получаемой информации, причем в корпусе постановочного устройства выполнены, по крайней мере, по одному отверстию для подачи забортной воды, обеспечивающей проведение калибровки датчиков зонда, для отвода воздуха из постановочного устройства при его заполнении водой, для подачи воды с целью создания избыточного давления, обеспечивающего обрыв линии связи обрывного зонда и удаление бортовой катушки с толкателем, для подачи воздуха с целью осушения устройства и отверстие для отвода воды при осушении, торцевые отверстия корпуса постановочного устройства закрыты внешней и внутренней герметичными крышками, управляемыми посредством приводов.
Корпус плавсредства-носителя может состоять из легкого и прочного корпусов, при этом герметичность обеспечивается относительно прочного корпуса.
Эталонные средства измерения могут содержать, как минимум, высокоточные датчики температуры, давления и удельной электрической проводимости для получения данных для расчета солености, плотности и скорости звука, с электронными схемами преобразования сигналов, а так же средства приема, хранения и передачи информации, поступающей от датчиков эталонных средств измерения и от обрывного зонда, на средства обработки информации.
Бортовая катушка может быть установлена с возможностью выхода из постановочного устройства вслед за обрывным зондом.
Средства обработки информации могут быть выполнены на основе электронно-вычислительной машины.
Электронно-вычислительная машина может быть снабжена средствами визуализации обрабатываемых данных.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - система измерения гидрологических параметров на больших глубинах с однокорпусного плавсредства-носителя,
на фиг.2 - система измерения гидрологических параметров на больших глубинах с двухкорпусного плавсредства-носителя.
На фиг.1 обозначено:
1 - зонд обрывной,
2 - корпус постановочного устройства,
3 - корпус плавсредства-носителя,
4 - вварыш,
5 - направляющая гильза,
6 - бортовая катушка канала связи,
7 - толкатель,
8 - эталонные средства измерения,
9 - отверстие для подачи забортной воды,
10 - отверстие для отвода воздуха,
11 - отверстие подачи воды для обрыва линии связи,
12 - отверстие для подачи воздуха,
13 - отверстие для отвода воды,
14 - внешняя крышка,
15 - внутренняя крышка.
16 - гидропривод внешней крышки,
17 - привод внутренней крышки,
18 - канал связи для передачи измеренных данных с обрывного зонда,
19 - канал связи эталонного средства измерения с средствами обработки получаемой информации,
20 - средства обработки информации,
21 - фланец.
Система измерения гидрологических параметров на больших глубинах с плавсредства-носителя содержит обрывной зонд 1, устанавливаемый на нем с возможностью сбрасывания. Сброс обрывного зонда 1 осуществляется через постановочное устройство, содержащее корпус 2 с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично установленный в корпусе 3 плавсредства-носителя, например, с использованием вварыша 4. Причем установка производится в подводной нижней части плавсредства-носителя, предпочтительно под углом до 40° к его диаметральной плоскости. Корпус 2 устанавливается герметично в корпусе плавсредства-носителя за фланец 21 с использованием резинового уплотнения.
Внутри корпуса 2 постановочного устройства жестко зафиксирована направляющая гильза 5. Жесткая фиксация направляющей гильзы 5 может быть обеспечена, например, за счет упоров, выполненных на внутренней поверхности корпуса 2 постановочного устройства.
В корпусе 2 постановочного устройства выполнены, по крайней мере, по одному из отверстий, обеспечивающих постановку обрывного зонда 1: отверстие 9 для подачи забортной воды, необходимой для проведения калибровки датчиков зонда 1, отверстие 10 для отвода воздуха из постановочного устройства при его заполнении водой, отверстие 11 для подачи воды с целью создания избыточного давления, обеспечивающего обрыв канала связи 18 обрывного зонда 1 и удаление бортовой катушки 6 с толкателем 7 из постановочного устройства после проведения цикла измерений, отверстие 12 для подачи воздуха с целью осушения постановочного устройства, отверстие 13 для отвода воды при его осушении.
В постановочном устройстве последовательно устанавливаются обрывной зонд 1, бортовая катушка 6 канала связи с толкателем 7 и эталонные средства измерения 8. Обрывной зонд 1 соединяется каналом связи 18 для передачи информации эталонным средствам измерения 8, которые соединяются каналом связи 19 со средствами обработки получаемой информации 20.
Обрывной зонд 1 может быть также соединен каналом связи 18 для передачи измеренных данных непосредственно со средствами обработки получаемой информации 20.
В рассматриваемом примере средства обработки получаемой информации 20 выполнены на основе ЭВМ.
Расположение датчиков обрывного зонда 1 и эталонных средств измерения 8 на минимально возможном расстоянии друг от друга обеспечивает, при проведении калибровки, получение идентичной информации по каналам измерения обрывного зонда 1 и эталонных средств измерения 8.
Торцевые отверстия корпуса 2 постановочного устройства закрыты соответственно внешней 14 и внутренней 15 герметичными крышками. Внешняя крышка 14 управляется приводом 16, который может быть гидравлическим, внутренняя - приводом 17, который может быть, например, ручным.
Для проведения измерений в заявляемой системе могут быть использованы обрывные зонды, содержащие, как минимум, каналы измерения глубины (гидростатического давления) и температуры, имеющие двухпроводную линию связи, конструктивно выполненную в виде многослойно намотанного микропровода, разматывающегося под действием веса обрывного зонда и источник автономного питания. При этом зонды должны иметь габаритные размеры, позволяющие разместить их в постановочном устройстве.
Например, могут быть использованы обрывные зонды типа батитермографа ХВТ фирмы Sippican, Inc.
Эталонные средства измерения 8 должны содержать, как минимум, высокоточные датчики температуры, давления и удельной электрической проводимости для получения данных для расчета солености, плотности и скорости звука, с электронными схемами преобразования сигналов, а также средства приема, хранения и передачи информации, поступающей от указанных датчиков и от обрывного зонда 1 на средства обработки информации 20.
Эталонные средства измерения 8 могут быть выполнены в виде отдельного блока и могут содержать источники автономного питания.
Каналы связи 18 и 19 могут быть выполнены аналоговыми или цифровыми.
За счет использования сравнительно дешевой двухпроводной линии связи с цифровым помехозащищенным интерфейсом можно повысить помехозащищенность и снизить стоимость обрывного зонда.
Бортовая катушка 6 канала связи конструктивно размещается в толкателе 7, представляющем собой цилиндрическую втулку, устанавливаемую с минимальным зазором в направляющей гильзе 5. Бортовая катушка 6 выполнена в виде многослойно намотанного микропровода, разматывающегося под действием веса обрывного зонда 1.
В простейшем случае канал связи 18 для передачи измеренных данных с обрывного зонда 1 конструктивно представляет собой линию связи, выполненную из двухжильного микропровода, разматывающегося при постановке зонда 1 с двух однотипных не вращающихся катушек, установленных на обрывном зонде и в постановочном устройстве (бортовая катушка 6 канала связи). Конструкция катушек обеспечивает беспрепятственное разматывание провода во время проведения измерения гидрологических параметров.
В общем случае канал связи 18 может включать средства приема-передачи информации, которые расположены в самом обрывном зонде 1 и в средствах обработки информации 20.
После открытия внутренней крышки 15 производится установка обрывного зонда 1, бортовой катушки 6 с толкателем 7 и эталонных средств измерения 8 в постановочное устройство. После закрытия внутренней крышки 15 производится заполнение внутреннего объема постановочного устройства водой через отверстие 9 для подачи забортной воды, при этом воздух удаляется через отверстие 10.
Производится включение питания эталонных средств измерения 8 и обрывного зонда 1. Перед выходом обрывного зонда 1 из камеры он выдерживается во включенном состоянии в течение заданного интервала времени. Это необходимо для вхождения электронных схем блоков обрывного зонда 1 в установившийся режим и накопления информации для последующей корректировки результатов измерений датчиками обрывного зонда 1 путем непосредственного сличения с результатами измерений, полученными по каналам эталонных средств измерений 8. По истечении заданного интервала времени открывается внешняя крышка 14 постановочного устройства и производится выход обрывного зонда 1 с одновременной передачей измеряемой информации через эталонные средства измерения 8 на средства обработки информации 20. По достижении заданной глубины погружения или по истечении интервала времени, максимально возможного для погружения, прекращается прием информации от обрывного зонда 1, производится отсечка линии связи путем подачи воды в отверстие 11, создания повышенного давления на толкатель и его перемещения в направляющей гильзе 5 до обрыва микропровода и полного удаления бортовой катушки 6 с толкателем 7 из постановочного устройства. После этого внешняя крышка 14 постановочного устройства закрывается и через отверстие 12 подается воздух для осушения постановочного устройства. Вода из постановочного устройства удаляется через отверстие 13. Эталонные средства измерения 8 вынимаются из постановочного устройства для последующего использования.
При использовании заявляемой системы на двухкорпусном плавсредстве-носителе (фиг.2), корпус 3 которого состоит из легкого 3а и прочного 3б корпусов, корпус 2 постановочного устройства устанавливается путем вваривания или механического соединения с прочным 3б корпусом с использованием уплотнительных колец. Герметичность обеспечивается относительно прочного корпуса 3б фланцем 21.
В итоге, в результате сброса обрывного зонда, кроме самого зонда из средств, предназначенных для его постановки, теряется только бортовая катушка канала связи с толкателем, стоимость которых существенно ниже стоимости теряемой постановочной части прототипа.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает высокую точность измерения гидрологических параметров за счет предварительной калибровки датчиков обрывного зонда, непосредственно перед его сбросом, методом сравнения с высокоточными измерительными каналами эталонных средств измерения, простоту конструкции, в части постановки обрывного зонда, и минимальную стоимость теряемой постановочной части обрывных зондов.
Источники информации
1. Использование подводных лодок ВМС США и ВМС Великобритании подо льдом: Аналитический отчет ЦКБ МТ «Рубин», выпуск 6, сентябрь 2006. - ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», С-Пб, 2006.
2. Патент США №5555518, опубл. 10.09.1996, фиг.1.
3. Патент США №5191790, опубл. 9.03.1993.