АВТОНОМНАЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ
SELF-CONTAINED HYDROPHISICAL STATION OF VERTICAL PROFILING

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований и может быть использовано, например, при реализации систем экологического мониторинга, а также систем сбора стандартной гидрофизической информации.
При проведении экологического мониторинга широко используются различные средства гидрофизического наблюдения, в том числе автономные гидрофизические станции.
Автономные гидрофизические станции, ориентированные для работы на больших глубинах, как правило, представляют собой прочный корпус-носитель аппаратуры, рассчитанный на определенное гидростатическое давление и соответственно предельную рабочую глубину. Внутри корпуса располагается [1] электронная аппаратура, источники электропитания и измерительные преобразователи. Измерительные преобразователи могут также располагаться в выносных системах, при этом связь с аппаратурой осуществляется через кабельные гермовводы. Полностью укомплектованная автономная станция должна иметь положительную плавучесть, а погружение осуществляется за счет теряемого балластного груза, закрепляемого к управляемому размыкателю балласта.
Однако автономные гидрофизические станции имеют один существенный недостаток, ее измерительная аппаратура позволяет контролировать только параметры придонных вод. Устранить этот недостаток можно, снабжая автономную гидрофизическую станцию [2] «гирляндой» гидрофизических измерительных модулей (ГИМ). В состав ГИМ могут входить датчики давления, температур, электрической проводимости и т.д., фильтры, усилители, АЦП, адаптеры связи, коммутаторы, контроллеры и т.д. Связь автономной станции с береговым пунктом обработки осуществляется с помощью подводного кабеля.
Недостатком таких классов гидрофизических станции является отсутствие возможности оперативной гидрофизической информации в стационарный центр обработки данных.
Полезная модель автономной гидрофизической станции (АТС), предназначенная для измерения и регистрации (до 8 каналов) гидрофизической информации на цифровые накопители на глубинах от 0 до 150 м (прочный корпус обеспечивает герметичность на глубинах до 1000 м) и оперативной передачи информации на поверхности моря по спутниковому каналу связи «Гонец», рассмотренная в работе [3], свободна от вышерассмотренных недостатков. Данная гидрофизическая станция обеспечивает регистрацию информации по глубине и оперативную передачу информации с использованием спутниковой системы связи «Гонец».
Установка АТС обеспечивается свободным погружением на гайдропе за счет отрицательной плавучести, создаваемой лебедкой с источником питания исполняющих роль якоря - балласта, всплытие осуществляется за счет положительной плавучести несущего корпуса при отделении от лебедки с источником питания.
Для учета гидрологической обстановки района во время работы АГС может оснащаться датчиками глубины, температуры, электропроводности, скорости распространения звука и т.д. (до 8 датчиков) с микропроцессорной системой сбора и обработки гидрофизической информации.
АГС обеспечивает усиление, фильтрацию, оцифровку, предварительную обработку и регистрацию на цифровой накопитель гидрофизической информации. При этом основной задачей, предлагаемой АГС, является измерение гидрофизических параметров по глубине водной среды, для чего применяется специальная лебедка-якорь, которая состоит из лебедки с источником питания, исполняющих роль якоря-балласта. С целью возращения лебедки с источником питания АГС оснащается пропиленовым фалом и тросом.
Возвращение на поверхность лебедки достигается следующим образом. По команде, полученной АТС по гидроакустическому каналу связи от обеспечивающего судна, или команде, заложенной в программу, АГС всплывает на поверхность моря. При этом АТС связана с лебедкой-якорем пропиленовым фалом и тросом, что позволяет после выборки АГС произвести подъем лебедки с источником питания.
К недостаткам данной станции можно отнести только однократное измерение гидрофизической информации по глубине. В принципе эту станцию можно приспособить для многократного измерения гидрофизической информации по глубине, для чего необходимо приспособить работу лебедки-якоря в реверсном режиме. При этом лебедке необходимо затрачивать значительную энергию на преодоление силы положительной плавучести несущего корпуса станции, которая может достигать 30 кг, что существенно снижает количество вертикального профилирования станции вследствие ограниченности энергоресурса.
Интересным представляется гидрофизический профилограф, рассмотренный в работе [4]. Заякоренный профилограф McLane (ЗПМ) - это автономная платформа для профилирующих инструментов, разработанная в сотрудничестве McLane Research Laboratories, Inc (MRL) и Advanced Engineering Laboratory и Отделом Физической Океанографии Океанографического Института Вудс-Хоул (ОИВХ). Цель исследований состоялась в том, чтобы разработать технологию заякоренных профилографов для широкого круга океанографического сообщества. Базовый набор инструментов включает датчик ПТГ (проводимость-температура-глубина) и акустический измеритель течений (АИТ). Конструкция предусматривает возможность подключения разнообразных дополнительных инструментов, включая широко распространенные био-оптические и химические датчики. Основная идея, заключенная в работе [4], которая заинтересовала нас, заключается в следующем. Гидрофизическая станция (профилограф) имеет нейтральную плавучесть и при перемещении станция преодолевает только силу гидродинамического сопротивления, для чего станцию привели в яйцевидную форму. Сама станция перемещается по натянутому по вертикали тросу.
Недостатком данной разработки является отсутствие возможности выхода станции на поверхность моря для оперативной передачи данных. Предлагаемое изобретение с условным наименованием «Автономная гидрофизическая станция вертикального профилирования (АГС ВП)» устраняет все выше указанные недостатки и предназначено для проведения гидрофизического и экологического мониторинга с возможностью оперативной передачи данных в шельфовой зоне в районе работ нефтегазовых добычных и буровых вышек. Автономная гидрофизическая станция вертикального профилирования (АГС ВП) состоит из четырех основных частей (фиг.1): измерительного модуля 1, донной лебедки 2, донного блока 3 и поплавка 4, соединенных между собой тросом.
Измерительный модуль 1 предназначен для управления работой станции в соответствии с заложенной программой проведения измерений в вертикальном слое водной среды и оперативной передачи данных по радиоканалу (спутниковому каналу). Для этого в его составе имеются управляющий процессор, измерительные датчики, УКВ или спутниковый радиомодемы, гидроакустическая система связи с лебедкой и система жизнеобеспечивания.
Измерительный модуль 1 перемещается по вертикали с помощью лебедки, которая получает от него соответствующие команды. В состав донной лебедки 2 входят двигатель с обводным барабаном, блок питания и гидроакустическая система связи с измерительным модулем. Блок питания играет также роль балласта. Через обводной барабан лебедки и через донный блок 3 проходит трос, соединяющий измерительный модуль 1 с поплавком 4. Поплавок 4 служит для уравновешивания положительной плавучести измерительного модуля 1 и имеет такую же положительную плавучесть. При такой схеме отсутствует необходимость преодолевать положительную плавучесть измерительного модуля 1 в моменты его погружения. Энергия при перемещении модуля 1 по вертикали тратится практически только на преодоление лобового гидродинамического сопротивления воды, поэтому поплавку 4 и измерительному модулю 1 придана обтекаемая форма.
В систему жизнеобеспечивания станции входят: датчики герметичности измерительного модуля 1 и лебедки 2, устройств контроля заряда аккумуляторной батареи измерительного модуля 1 и лебедки 2. На фиг.2 представлена структурная схема измерительного модуля 1 станции. Измерительные гидрофизические и экологические датчики 5 преобразовываются в преобразователях 6 в информационные коды длиной 2 байта, где младшие три разряда характеризуют номера каналов (датчиков, их не более 8), остальные 13 разрядов представляют информационные разряды.
Таймер 7 в формирователе временного кода 8 формирует 32 разрядный временной код, включающий год, месяцы, числа, часы, минуты и секунды. Временной код одновременно является наименованием формируемого информационного файла.
j
j-1
j
j-i
Датчик под номером 5-8 представляет датчик давления, который одновременно информирует программное устройство (ПУ) 12 о текущей глубине расположения измерительного модуля 1. При достижении измерительным модулем 1 предельной глубины Н=h, при всплытии на поверхность моря H=0 или при достижении заданных фиксированных глубин H=hi в БУ вырабатывается команда «стоп», которая затем передается с помощью гидроакустического излучателя 10 на лебедку 2. При достижении фиксированных глубин H=hi, которые заданы в программном устройстве 12, одновременно ПУ 12 дает команду формирователю файлов 9 на формирование очередного информационного файла и передачи этого файла в накопитель файлов 11. На этапе погружения (после достижения ИМ 1 поверхности моря) т.е. при H-H>0 для лебедки 2 после команды «стоп» вырабатывается команда (по истечении определенного времени) включения в «нормальном» режиме лебедки 2. На этапе всплытия (после достижения предельной глубины h) т.е. при H-H<0 для лебедки 2 после команды «стоп» вырабатывается команда (по истечении определенного времени) включения в «реверсном» режиме лебедки 2. При достижении измерительным модулем 1 поверхности моря Hi=0 по команде ПУ 12 аппаратура передачи данных 13 осуществляет передачу гидрофизической информации по спутниковому каналу связи «Гонец». Более подробная информация об аппаратуре передачи гидрофизической информации по спутниковому каналу связи приведена в работе [5]. В измерительном модуле 1 предусмотрен акустический приемник 14, предназначенный для приема различных служебных команд.
Лебедка 2, структурная схема которой представлена на фиг.3, в составе включает акустический приемник 15, блок управления 16, включающий в себе функции дешифратора акустических команд и управления режимами работ двигателя 17 лебедки 2.
Источники информации
1. Малашенко А.Е., Филимонов В.И., Перунов В.В., Рожков B.C. Многофункциональная гидрофизическая автономная станция. Патент на ПМ №50299, 24.06.2005 г.
2. Малашенко А.Е., Перунов В.В., Филимонов В.И., Рожков B.C. Автономная гидрофизическая станция для зондирования параметров водной среды на нескольких фиксированных глубинах. Патент на ПМ №56593, 25.10.2005 г.
3. Малашенко А.Е., Деревнин В.А., Перунов В.В., Филимонов В.И., Рожков B.C. Автономная гидрофизическая станция для зондирования водной среды по глубине. Патент на ПМ №61246, 19.01.2006 г.
4. Арчи Т. Морризон III, Джон Д. Биллингс, Кеннет В. Доэртай, Ж.М.Тул. Mc Lane Moored Profiler., Proceeding OCEANOLOGY International, 2000, pp.397-414.
5. Малашенко А.Е., Малашенко А.А., Деревнин В.А., Леоненков Р.В., Сохатюк М.Ю. Аппаратура передачи данных гидрофизической информации с помощью системы спутниковой связи. Патент на ПМ №75117, 15.03.2007 г.