Автономный регистратор геофизических параметров
AUTONOMOUS GEOPHYSICAL PARAMETERS RECORDER

Изобретение относится к геофизике, а именно к устройствам для регистрации различных геофизических параметров, и может быть использовано в океанологических исследованиях.
В океанологических исследованиях в последнее время получили распространение малогабаритные автономные регистраторы, оснащенные одним или несколькими датчиками различных геофизических параметров, например, давления окружающей среды, температуры, проводимости морской воды и других, представляющих интерес. Характерным для таких регистраторов являются малые габариты, наличие автономного источника питания и системы записи получаемой информации. Указанные особенности позволяют формировать из регистраторов распределенные в пространстве массивы, состоящие из большого количества устройств, которые синхронно записывают какие-либо параметры на значительных по площади акваториях. По истечении заданного времени работы производится сбор регистраторов и считывание записанной на внутренний накопитель информации для последующего использования. Такой способ применения регистраторов обуславливает необходимость наличия в составе регистратора высокостабильного таймера, который должен быть синхронизирован с аналогичными таймерами других регистраторов, используемых для совместной работы, перед ее началом.
Известны различные автономные регистраторы, например, регистратор, имеющий герметичный корпус, оснащенный гидрофоном, датчиком давления, датчиком температуры, системой записи данных на карту памяти, аккумуляторной батареей и датчиком контроля положения, предполагающий возможность работы в составе антенны из нескольких аналогичных регистраторов, за счет синхронизации процесса записи по одному из входов микроконтроллера (пат. РФ №171967 U1).
Также можно указать автономные регистраторы в герметичном корпусе, оснащенные датчиками температуры и давления в различных сочетаниях, системой записи данных на карту, аккумуляторной батареей и возможностью синхронизации путем подачи синхроимпульса по подключаемому кабелю. В процессе эксплуатации необходимо открывать корпуса регистраторов с целью извлечения карт памяти, заряда аккумуляторов и осуществления акта синхронизации (Пространственно-распределенный измерительный комплекс для мониторинга гидрофизических процессов на океаническом шельфе: Приборы и техника эксперимента, 2017, №1, с. 128-135).
Недостатком данных регистраторов является необходимость регулярного вскрытия корпусов для считывания данных и заряда аккумуляторов, что требует затрат времени, которые при большом количестве регистраторов оказываются существенными. Также это повышает риск потери герметизации в результате нарушения технологии эксплуатации из-за ошибки оператора, что ведет к утрате оборудования и потере данных. Необходимость подключения кабеля для синхронизации ведет к таким же последствиям, кроме того, требуется кабель с ответвлениями, что ведет к ограничению числа синхронизируемых устройств количеством ответвлений кабеля. Отсутствие индикатора состояния аккумулятора требует в процессе эксплуатации дополнительных манипуляций, связанных с необходимостью вскрытия корпуса, для проверки степени заряда аккумулятора. Для проведения всех описанных процедур, связанных с раскрытием корпусов регистраторов необходимо помещение для защиты от воздействий окружающей среды.
Известен автономный регистратор НОВО Water Temp Pro v2, снабженный датчиком измерения температуры морской воды (https://www.onsetcomp.com/products/data-loggers/u22-001). Регистратор представляет собой водонепроницаемый неразъемный корпус, снабженный оптически прозрачным окном, обеспечивающим работу оптического интерфейса, работающего по стандарту USB, энергонезависимой памятью, сменными батареями, обеспечивающими время работы 6 лет при частоте записи 1 раз/минуту, которые могут быть заменены только на предприятии изготовителе. Синхронизация между отдельными регистраторами обеспечивается встроенными часами, обеспечивающими ход 1 минуту/месяц в интервале температур (0-50)°C. Для считывания данных, запуска и контроля состояния батареи необходимо дополнительное устройство, которое затем через оптическую станцию передает сведения на персональный компьютер. Данный регистратор принят за прототип.
Однако, синхронизация с помощью часов с указанными параметрами хода не может быть признана удовлетворительной (1 минута/месяц соответствует 2 секунды в сутки) и совершенно неприемлема для датчиков, работающих с более высокой частотой записи (например, акустических). Кроме этого, регистратор требует значительных затрат на свое обслуживание: замену батарей на предприятии, необходимость дополнительной оптической базовой станции для считывания записанной информации, введения поправки для встроенных часов, контроль состояния аккумуляторных батарей. Так как работы с автономными регистраторами такого типа проводятся либо в экспедиционных условиях, либо с борта судна, данные недостатки осложняют и удорожают эксплуатацию.
Техническая проблема - расширение номенклатуры применяемых регистраторов гидрофизических параметров.
Технический результат - расширение функциональных возможностей, надежность и точность синхронизации.
Поставленная проблема решается автономным регистратором гидрофизических параметров, включающим герметичный водонепроницаемый корпус, снабженный крышкой в виде оптически прозрачного окна и внешним карманом для постоянного магнита, установленным внутри микропроцессорным устройством с управляющей программой и внутренним накопителем, соединенным с приемно-передающим устройством по протоколу Bluetooth, фотоприемником оптического синхроимпульса, индикатором режима работы регистратора, блоком питания, термостабильным кварцевым генератором, блоком гидрофизических датчиков и системой энергопитания, включающей аккумуляторную батарею, соединенную с бесконтактным зарядным устройством и цифровым индикатором напряжения, при этом блок питания компонентов регистратора, соединен с аккумуляторной батареей через нормально-замкнутые контакты геркона, установленного с внутренней стороны корпуса напротив внешнего кармана, снабженного постоянным магнитом.
На чертеже приведена схема заявляемого регистратора, где 1 - фотоприемник оптического синхроимпульса; 2 - крышка герметичного корпуса с оптически прозрачным окном; 3 - источник оптического синхроимпульса; 4 - персональный компьютер с встроенным устройством связи 5 по протоколу Bluetooth; 6 - цифровой вольтметр индикации состояния аккумуляторной батареи; 7 - герметичный корпус регистратора; 8 - геркон с нормально-замкнутыми контактами; 9 - постоянный магнит; 10 - наружный карман корпуса для размещения магнита; 11 - микропроцессорное устройство; 12 - термостабилизированный кварцевый генератор; 13 - аккумуляторная батарея; 14 - зарядное устройство; 15 - внешняя катушка внешнего зарядного устройства; 16 - блок геофизических датчиков; 17 - приемо-передающее устройство по протоколу Bluetooth; 18 - индикатор режима работы регистратора; 19 - блок питания; 20 - накидная гайка.
Работает устройство следующим образом. Герметичный корпус 7, например, цилиндрической формы, выполненный из диэлектрика, например, поликарбоната, закрывается крышкой с оптически прозрачным окном 2, уплотняемой, например, резиновыми кольцами и фиксируемой накидной гайки 20, что позволяет в дальнейшем открывать корпус для монтажа расположенных внутри компонентов, обслуживания их и замены в случае необходимости. Внутри корпуса расположено микропроцессорное устройство 11, осуществляющее функции управления, оцифровки сигналов блока геофизических датчиков 16 и записи полученной информации на внутренний накопитель, например, карту памяти. Для синхронизации с другими регистраторами установлен термостабилизированный кварцевый генератор 12, тактирующий работу микропроцессорного устройства 11. Для обеспечения работы компонентов регистратора служит блок питания 19, соединенный с аккумуляторной батареей 13 через нормально-замкнутые контакты геркона и содержащий необходимые преобразователи, обеспечивающие получение необходимых напряжений. Заряд аккумуляторной батареи 13 осуществляется зарядным устройством 14, содержащим внутреннюю катушку и выпрямитель. При необходимости зарядить аккумуляторную батарею регистратор размещают в непосредственной близости от внешней катушки зарядного устройства 15 с целью обеспечить электромагнитную связь между катушками. При этом при протекании во внешней катушке 15 тока высокой частоты, генерируемого внешним зарядным устройством (на фиг. 1 не показано), за счет взаимоиндукции происходит наведение переменного тока во внутренней катушке зарядного устройства 14. Зарядное устройство выпрямляет наведенный переменный ток и заряжает им аккумуляторную батарею. Для экономии энергии аккумуляторной батареи (в период хранения или в период движения к месту постановки) регистратор может быть выключен. Для этого служит геркон 8 с нормально-замкнутыми контактами, расположенный внутри корпуса таким образом, чтобы магнит 9, помещенный в карман 10, вызывал размыкание контактов геркона. Размыкание контактов геркона приводит к разрыву цепи, по которой осуществляется соединение аккумуляторной батареи 13 и блока питания 19. Для приведения регистратора в рабочее состояние магнит 9 удаляют из кармана 10. При этом замыкаются контакты геркона 8 и на блок питания 19 подается питание от аккумуляторной батареи 13, а микропроцессорное устройство 11 получает питание и переходит в режим ожидания синхронизации. При этом микропроцессорное устройство включает индикатор 18 цветом, например, желтым, который наблюдается через имеющееся оптически прозрачное окно крышки 2.
Для синхронизации нескольких регистраторов их перед работой размещают так, чтобы световой импульс от внешнего синхронизирующего устройства 3 мог бы воздействовать через оптически прозрачные окна крышек регистраторов на фотоприемники оптического синхроимпульса всех синхронизируемых регистраторов.
Для исключения срабатывания системы от изменений освещенности, вызванных перемещением регистраторов и перемещением светоотражающих объектов вблизи регистраторов, в цепи фотоприемника оптического синхроимпульса микропроцессорное устройство может быть снабжено фильтром, не пропускающим нижние частоты, например, с учетом примерной длительности вспышки начиная от 1 мС и менее, рабочая полоса пропускания такого фильтра должна быть от 1 кГц и выше. Кроме этого, для более надежного исключения ложного срабатывания от случайных и непреднамеренных изменений освещенности, после обнаружения синхронизирующего импульса управляющая программа микропроцессорного устройства переводит его в режим регистрации сигналов датчиков, блокируя цепи синхронизации. При этом включается индикатор 18 цветом, например, красным. Если какие-либо из синхронизируемых регистраторов не вошли в режим синхронизации, что можно обнаружить по состоянию индикатора 18, процедуру можно повторить, предварительно выключив все регистраторы путем размещения магнита 9 в кармане 10, а затем, удалив магниты, вновь перевести регистраторы в режим ожидания синхронизации.
Такой алгоритм работы позволяет осуществить включение и синхронизацию регистраторов непосредственно перед постановкой. При этом во время транспортировки к месту постановки не расходуется энергия аккумулятора и не расходуется напрасно объем накопителя информации регистратора. Кроме того, данная процедура может осуществляться вне защищенного от воздействия внешней среды помещения, что позволяет использовать для работы открытые палубы судов. В качестве источника оптического синхроимпульса может быть использован, например, фотоаппарат, оснащенный фотовспышкой. При этом, одновременно с синхронизацией получают фотодокумент с указанием начала времени работы.
Цифровой вольтметр индикации состояния аккумуляторной батареи 6 работает постоянно, что позволяет, наблюдая за ним через оптически прозрачное окно крышки 2, принимать решение о необходимости произвести зарядку аккумуляторной батареи.
Для считывания информации из внутреннего накопителя микропроцессорного устройства, регистратор должен быть размещен в зоне действия Bluetooth устройства 5, которыми, как правило, штатно снабжаются компьютеры (ПК) 4. При этом устанавливается связь между приемопередающим устройством 17 регистратора и устройством 5 компьютера 4, после чего данные внутреннего накопителя переносятся в накопитель компьютера.
Наличие связи между регистраторами позволяет дистанционно изменять параметры записи, например, частоту. Размещение нескольких регистраторов в зоне действия bluetooth устройства 5 ПК, при наличии соответствующего программного обеспечения на ПК, позволяет осуществлять последовательное считывание информации из всех регистраторов в автоматическом режиме, что при большом количестве регистраторов представляет несомненное удобство.
Заявляемый регистратор может быть реализован с использованием серийно выпускаемых промышленностью радиоэлементов. В качестве bluetooth устройства регистратора применим, например, модуль НС-06, приемником оптического синхроимпульса может служить, например, фотодиод DIL BPW34B, для индикатора режима работы может быть использован, например, двухцветный светодиод L-59EYW, микропроцессорное устройство может быть изготовлено на базе микропроцессора ATMEGA16, в качестве индикатора состояния аккумуляторной батареи пригоден, например, малогабаритный цифровой вольтметр ZC21400, в роли термостабилизированного генератора возможно использование, например, кварцевого генератора «Гиацинт -М» ИГ-2.210.003, а в качестве геркона КЭМ-3А.
Таким образом, предложенная конструкция автономного регистратора за счет использования неконтактной система заряда аккумуляторов, индикаторов состояния напряжения батарей, режима работы устройства, системы неконтактного выключателя, установки термостабилизированного кварцевого генератора, системы синхронизации с использованием оптического импульса и считывание записанных данных с помощью устройства связи по протоколу bluetooth, позволяет расширить спектр решаемых задач, повысить точность проводимых экспериментов, значительно повысить эксплуатационную технологичность устройства.