СТАЦИОНАРНЫЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

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.
Основные принципы построения автономных станции ориентированных для работы на определенных фиксированных глубинах представлены в полезной модели «Малашенко А.Е., Деревнин В.А., Перунов В.В., Филимонов В.И., Рожков B.C., Автономная сейсмоакустическая гидрофизическая станция, МПК G01V 1/38, 2006». Автономная сейсмоакустическая гидрофизическая станция (АСАГС) предназначена для измерения и регистрации в придонном слое и на некоторых фиксированных глубинах в автономном режиме (реальная предельная глубина определяется наименьшей рабочей глубиной из применяемых гидрофизических и экологических датчиков) гидрофизической информации на цифровые накопители. В состав АСАГС входят аппаратурный модуль (AM) и гидрофизические измерительные модули (ГИМ), которые устанавливаются по вертикали на определенных фиксированных глубинах. В состав ГИМ могут входить датчики давления, температур, электрической проводимости и т.д. В состав AM входят сейсмодатчики, низкочастотный гидрофон, гидрофизические датчики, фильтры, усилители, АЦП, адаптеры связи, коммутаторы, контроллеры, источник питания и другие системы жизнеобеспечения.
Автономная сейсмоакустическая гидрофизическая станция (АСАГС), имеющая в своем составе AM и несколько ГИМ, принятая в качестве прототипа, оснащена трехкомпонентным сейсмодатчиком, низкочастотным гидрофоном, датчиками температуры, давления, электрической
проводимости, рН, Eh, растворенного кислорода, многоканальной цифровой системой регистрации и накопления информации, устройством управления режимами работы.
При проведении кратковременных площадных синхронных гидрофизических исследований в определенных морских акваториях, достаточно использование нескольких АСАГС (например, при экологическом контроле морского района нефтедобычи или нефтеразведки).
При проведении долговременных (например, при экологическом мониторинге морского района нефтедобычи) площадных гидрофизических исследований, длительность непрерывных исследований определяются энерговооруженностью АСАГС, что определенном мере ограничивает применение АСАГС.
Для проведения долговременных площадных исследований предназначена, предлагаемая полезная модель «Стационарный гидрофизический измерительный комплекс» (СГИК). Здесь в качестве прототипа ПМ «СГИК» принята ПМ «АСАГС».
Сущность ПМ «СГИК» заключается в следующем. В состав ПМ «СГИК» в качестве измерительных модулей используются до 8 АСАГС. В применяемых АСАГС внесены изменения, а именно с помощью герморазъема в АСАГС заведен сигнальный кабель, т.е. автономная станция переходит в категорию кабельных станции. Поэтому эту станцию условно назовем кабельной сейсмоакустической станцией (КСАГС). При работе с несколькими КСАГС для управления, съема информации и подачи электропитания используется донная управляющая кабельная станция (ДУКС).
Стационар (береговой комплекс) и ДУКС связаны посредством магистрального кабеля, ДУКС и КСАГС - посредством сигнальных кабелей.
КСАГС предназначена для измерения и регистрации в придонном слое и на некоторых фиксированных глубинах гидрофизической информации и последующей непрерывной передачи информации на стационар
Рекомендуемая рабочая глубина для СГИК до 300 м. Установка КСАГС на дно обеспечивается свободным погружением с помощью балласта на системе жесткого придонения. Всплытие на поверхность производится за счет положительной плавучести прочного несущего корпуса кабельной сейсмоакустической гидрофизической станции (КСАГС) при отделении балласта и положительной плавучести ГИМ.
КСАГС состоит из аппаратурного модуля (AM), семиэлементной «гирляндой» ГИМ, системой освобождения от балласта, гидроакустической командной системой, системой регистрации, предварительной обработки и непрерывной передачи информации по кабелю на стационар.
Аппаратный модуль кабельной сейсмоакустической гидрофизической станции (КСАГС), представляет собой (фиг.1): носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух сферических полусфер стянутых болтами 18 на фланцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительные резиновые кольца 16. Внутри НА 1 установлены; на верхней полусфере блок системы ориентации 5, бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 устанавливаемый с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, трехкомпонентный сейсмодатчик 4 и размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке, установлены герморазъем 9 для ввода сигнального кабеля, герморазъем 12 для ввода ГИМ, низкочастотный гидрофон 10, ресивер 11 высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, датчик давления (ДД) 14, определяющий текущую глубину погружения станции, датчик температуры 21, проблесковый маяк (ПМ) 13, антенна 15 абонентского терминала спутниковой системы связи «Гонец» с космической навигационной системой «ГЛОНАСС» (СССН). За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб, жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6 и болта размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву
треноги крепятся башмаки-балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками-балластами 8 остается на дне.
Показания с компасного устройства блока ориентации 5 заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок гидроакустической связи в бортовом вычислительном узле 2 или по кабелю на стационар.
Источник питания 3 собран из литиевых аккумуляторных батарей. Источник питания ежедневно производит подзарядку в течение 2 часов электроэнергией подаваемой по кабелю со стационара. Источник питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения остойчивости станции на поверхности моря.
Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, контроль герметичности станции (при обнаружении течи станции замыкается цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя).
Исполнительный механизм размыкателя электромагнитного типа 6 при подаче импульса тока на обмотку электромагнита втягивает сердечник в стакан, при этом сердечник освобождает хвостовик крюка 6-3 и последний под действием силы растяжения проворачивается вокруг своей оси, освобождая серьгу 6-4. Винт 6-5 и гайка 6-2 предназначены для выборки люфта между всплывающей частью треноги 7-1 и частью 7-2, остающейся на дне, что способствует лучшей передаче сейсмических колебаний из грунта на сейсмодатчики.
Для измерения гидрофизических и экологических параметров используется системы (фиг.2), представляющей «гирлянду» состоящей из семи секции. Секция представляет собой ГИМ и отрезок измерительного кабеля 22. ГИМ представляет собой аппаратурный модуль 22-9 в виде прочного цилиндрического корпуса, на плоские поверхности, которого вынесены восемь герморазъемов для подключения датчиков 22-1 и два
герморазъема 22-2 для ввода сигнальных кабелей 22- 3 (по 4 для датчиков и по 1 для кабеля на каждой поверхности), кабель 22-3 закрепляется зажимом 22-8 к ограждению 22-7, для исключения возможности разрыва сигнального кабеля 22-3 проложены два страховочных фала 22-5, страховочные фалы и сигнальный кабель закрепляются друг с другом при помощи зажимов 22-6 и с аппаратурным модулем 22-9 специальным зажимом 22-4. Для придания отдельной секции положительной плавучести порядка 2 кг аппаратурный модуль 22-9 опоясывается поплавком 22-10. Верхний (последний) аппаратурный модуль 22-9 соединен с помощью страховочных фалов 22-5 с поплавком 23. Расстояние между отдельными ГИМ можно скорректировать в сторону уменьшения, укорачивая с помощью зажимов 22-6 длину страховочных фалов. В предлагаемой полезной модели ГИМ используется как локальный центр сбора информации. Датчики давления и температуры попарно зафиксированы и на определенных расстояниях от ГИМ 22 фиксируются на сигнальном кабеле 22-3 с помощью зажимов. Таких парных датчиков можно разместить четыре (по количеству герморазъемов 22-1). Предполагается установить на верхнем (последнем) аппаратурном модуле установить четыре экологических датчика (Ph, содержания кислорода, фенола, редокса) и два парных датчика (давление-температура). ГИМ связан с КСАГС через гермоввод 12. Сигнальный кабель 9-1 (фиг.1) крепится за возвращаемую раму 7-1 с помощью специальной скобы 9-2. С помощью этой скобы крепится также страховочный фал 9-5. сигнальный кабель 9-1 имеет длину соответствующей 1,5-2 кратной глубине места, где производится постановка станции. Один конец кабеля 9-1 заведен в КСАГС с помощью кабельного ввода 9, а другой конец кабеля 9-1 заведен в корпус ДУКС (фиг.5).
Формирователь массива (ФМ) КСАГС, входящий в состав бортового вычислительного узла (БВУ) 2 КСАГС, предназначен, прежде всего, для формирования файла для последующей передачи гидрофизической информации по кабелю на стационар. Данные с сейсмодатчика 4 (компоненты X, Y, Z) в полосе частот 0,5-10 ГЦ и с гидрофона 10 в частотных диапазонах 0,5-10 Гц, 10-200 Гц, 200-4000 Гц (фиг.3)
усиливаются усилителем 25, выпрямляются детектором 26 и сглаживаются фильтром низких частот 27, далее оцифровываются с помощью АЦП 28 (6-канальный 12-разрядный АЦП) и после этого подаются на формирователь массива данных 29. На формирователь массива данных 29 подаются 12-разрядные цифровые данные с датчиков температуры 21 и давления 14. Аналогично на соответствующие формирователи 29 подаются с каждого ГИМ 22 данные с гидрофизических цифровых датчиков (до 8 датчиков). В формирователе 29 формируется реализация длиной 128 байт, где содержится информация о номерах ГИМ (от 1 до 7, для данных с НА 1 присваивается номер 0). Далее сформированные реализации из восьми формирователей 29 подаются на вход формирователя файла 30, где формируется файл длиной 1024 байт (1 К), наименование файла соответствует текущему времени. И, наконец, сформированный файл подается через сигнальный кабель на формирователь массивов в ДУКС.
В БВУ 2 КСАГС кроме ФМ располагаются (фиг.4): программное устройство (ПУ) 40, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 39, блок гидроакустической связи (ГАС) 38, блок спутниковой системы связи и навигации (СССН) 41.
Программное устройство (ПУ) 40 КСАГС представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами КСАГС по заданной программе или по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи, либо по команде полученной со стационара по кабельной линии. По сигналу с датчика давления 14 в надводном положении ПУ 40 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок СССН 41. В подводном положении по сигналу с датчика давления 14 отключает блок (41) и включает блок ГАС 38.
ПУ 40 КСАГС по программе включает или выключает блок ГАС 38, исполняет все команды, получаемые по кабелю со стационара транслируемые через ПУ 40 ДУКС или передаваемые из ПУ 40 ДУКС (в случае аварийного всплытия ДУКС), а также по гидроакустическому каналу связи.
При обнаружении течи с помощью датчика герметичности 20, либо по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью ресивера 11 или со стационара по кабельной линии программное устройство 40 КСАГС дает команду УИМ 39 на включение исполнительного механизма 6 (т.е. производится сброс балласта).
Блок СССН 41 на поверхности моря с помощью антенны СРНС 15 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции, с помощью спутниковой радионавигационной системы определять местонахождение станции.
ДУКС разработан на основании AM АСАГС и представляет собой (фиг.5): носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух сферических полусфер стянутых болтами 18 на фланцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительные резиновые кольца 16. Внутри НА 1 установлены: бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 устанавливаемый с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке, установлены девять герморазъемов 9 для ввода (8 разъемов) и вывода (1 разъем) сигнальных кабелей. За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб, жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6 и болта размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву треноги крепятся башмаки-балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками-балластами 8 остается на дне.
Формирователь массива (ФМ) 31 ДУКС (фиг.4), входящий в состав бортового вычислительного узла (БВУ) 2 ДУКС, предназначен, прежде всего, для формирования файла для последующей передачи гидрофизической информации по кабелю на стационар. Здесь формируется файл длиной 8 К из 8 КСАГС, которые в отдельности имеют массивы длиной 1 К. Далее сформированный файл транслируется по магистральному кабелю 9-4 (фиг.5) на стационар.
В БВУ 2 ДУКС располагаются: программное устройство (ПУ) 40 ДУКС, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 39 ДУКС.
ПУ 40 ДУКС посредством кабеля 9-1 связаны с ПУ 40 КСАГС. ПУ 40 ДУКС осуществляет трансляцию команд стационара на ПУ 40 КСАГС. При всплытии ДУКС (аварийное всплытие вследствие затекания в НА 1 ДУКС или для проведения профилактических работ либо модернизации) дает команду на отдачу балласта (УИМ) 39 ДУКС и одновременно дает команду ПУ 40 одному из КСАГС (номер КСАГС заложен программно в ПУ 40 ДУКС). Этим облегчается поиск и выборку ДУКС. В ПУ 40 ДУКС, также заложены очередность подачи по кабелю для подзарядки электропитания (по 2 часа в сутки) на отдельные КСАГС.
Коррекция времени и синхронизация часов всех КСАГС проводится, по команде со стационара, ежедневно в 00 часов 00 минут 00 секунд по Гринвичу, обнулением всех часов КСАГС входящих в состав СГИК.
Сигнальный кабель 9-1 ДУКСа (фиг.5) крепится за возвращаемую раму 7-1 с помощью специальной скобы 9-2. С помощью этой скобы крепится также страховочный фал 9-5. Легкий комбинированный кабель 9-1 имеет длину соответствующей 1,5-2 кратной глубине места, где производится постановка станции. Один конец кабеля 9-1 заведен в КСАГС с помощью кабельного ввода 9, а другой конец кабеля 9-1 заведен в муфту-соединитель 9-3, куда с другой стороны заведен бронированный комбинированный кабель 9-4 проведенный со стороны берегового стационара. Муфта-соединитель 9-3 жестко связана с якорем-балластом 8-1. Конец страховочного фала 9-5 закрепляется к балласту 8-1 с помощью кольца 9-6. Такая схема выбрана с целью упрощения и удешевления ремонтно-профилактических работ. Для выполнения этих работ достаточно по команде со стационара или с борта обеспечивающего судна подать команду на отдачу балласта 8. После выполнения команды ДУКС отдает балласт 8 и всплывает на поверхность моря. В случае аварийного всплытия, ДУКС удерживается в районе постановки якорем-балластом 8-1. Бронированный кабель выбран по причине того, что обычный кабель в прибрежной зоне
быстро перетирается вследствие взаимодействия прибойной морской волны и песка, что приводит к выходу кабеля из строя. Такая конструкция заметно облегчает проведение ремонтно-профилактических работ.
На фиг.6 в качестве иллюстрации приведен СГИК в развернутом состоянии в составе одного КСАГС и ДУКС.
Работа СГИК заключается в следующем.
В постановочных работах принимают два судна. Первое судно - судно носитель гидрофизических станции, где производится транспортировка, пред постановочная подготовка 8 КСАГС и ДУКС. В точке постановки ДУКС первое обеспечивающее судно становится на якорь. Второе судно - судно постановщик поочередно забирает очередное подготовленное к постановке КСАГС и двигается радиально от первого судна в точку постановки данной КСАГС. Таким образом, вторым судном устанавливаются все КСАГС. После установки всех запланированных к постановке КСАГС (до 8 станции) первое судно осуществляет постановку ДУКС.
При проведении профилактических работ или работ по модернизации КСАГС требуется одно обеспечивающее судно. КСАГС отдает балласт и всплывает по команде со стационара передаваемой по кабелю или по команде с обеспечивающего судна по гидроакустическому каналу связи.
При проведении профилактических работ или работ по модернизации ДУКС требуется два судна. Так как при подъеме автоматически, по заданной программе, всплывает одна из КСАГС. Одно из судов производит поиск и выборку КСАГС, затем аккуратно выбирает сигнальный кабель. Второе судно выбирает ДУКС, затем производит необходимые работы с ДУКС. Постановочные работы производятся по выше рассмотренной схеме.