СТРУННЫЙ ВОЛНОГРАФ
STRING WAVE RECORDER

Изобретение относится к области океанографических измерений и может быть использовано для исследования процесса волнения на морях, озерах и водохранилищах в прибрежной зоне.
Известные струнные волнографы, содержащие резистивные датчики (струны), отличаются измерительной (приемной) частью. В зависимости от реализации приемная часть содержит, например: измерительный мост переменного тока, регистратор с усилителем реверсивного двигателя, фазовый детектор [Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. - Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976]; выпрямитель, генератор питания резистивного датчика, регистратор [Авторское свидетельство СССР №271829, МКИ G01C 13/00. Волнограф. Б.А. Максимов, В.М. Фетисов. - Заявлено 18.09.1968. Опубл. 26.05.1970].
К недостаткам известных струнных волнографов относятся: слабая помехозащищенность, нелинейность измерительной характеристики прибора, поляризация резистивного датчика, возникающая при использовании генераторов переменного (прямоугольного) напряжения, что приводит к искажению результатов измерений и механическому разрушению струны - резистивного датчика.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является разработка заявителя - устройство для измерения параметров ветровых волн [Авторское свидетельство СССР №918787, МКИ G01C 13/00. А.К. Куклин, В.Е. Бандо. - Заявлено 21.12.1979. Опубл. 07.04.1982]. Прототип содержит, в частности, резистивный датчик, трехпроводную линию связи и измерительный блок, выполненный в виде последовательно соединенных усилителя низкой частоты, регистрирующего устройства и блока управления, а также источник питания. Между трехпроводной линией связи и усилителем низкой частоты введен измерительный мост постоянного  тока, а между резистивным датчиком и трехпроводной линией связи введены генератор прямоугольных импульсов и преобразователь напряжения, который выполнен в виде двух пар транзисторных ключей.
Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются такие признаки прототипа: блок питания и резистивный датчик в виде струны из высокоомного материала, связанный с усилителем, средством регистрации и средством управления.
Недостатком прототипа является ограниченная точность измерения параметров волн, недостаточная помехоустойчивость и ограниченный ресурс работы.
В основу изобретения поставлена задача создания струнного волнографа, совокупностью существенных признаков которого достигаются новые технические свойства:
- возможность преобразования сопротивления струны (преобразования напряжения сигнала, измеренного с резистивного датчика) в частоту управляющего сигнала и формирования, в зависимости от этой частоты, заданного сигнала (заданных синусоидальных колебаний), который подают на резистивный датчик;
- осуществление контроля среднего потенциала резистивного датчика относительно потенциала заземления и устранение фактора его поляризации (накопления на нем электрического заряда под действием электрохимических процессов в морской воде) за счет использования генерируемых в устройстве гармонических сигналов, что снижает вероятность разрушения датчика;
- исключение попадания помех последовательного вида на струну за счет использования стабилизированного питания с гальванической развязкой от внешних питающих цепей;
- обеспечение гальванической развязки резистивного датчика от внешних питающих цепей.
Указанные новые технические свойства обусловливают достижение технического результата изобретения - повышение точности измерений, помехозащищенности и увеличение ресурса стабильной работы.
Поставленная задача изобретения решается тем, что в струнном волнографе, содержащем блок питания и резистивный датчик в виде струны из высокоомного материала, связанный с усилителем, средством регистрации и средством управления, новым является то, что он содержит RC-генератор с фазовым управлением частотой генерируемых синусоидальных колебаний, первый вход которого подключен к выходу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика, первый вход стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика подключен к резистивному датчику, а второй вход - к первому выходу стабилизированного блока питания с гальванической развязкой от внешних питающих цепей, второй выход стабилизированного блока питания заземлен, а первый выход подключен ко второму входу RC-генератора, первому входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, первому входу усилителя и первому входу управляемого генератора тока, третий вход RC-генератора подключен к выходу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, выход RC-генератора подключен ко второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, управляющий вход RC-генератора подключен к выходу усилителя, второй вход которого подключен к резистивному датчику, первому входу стабилизатора нулевого потенциала резистивного датчика и выходу управляемого генератора тока, второй вход которого подключен к выходу RC-генератора, второму входу узла стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора и входу выходного усилителя с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей, выход которого является выходом устройства.
Сущность изобретения поясняется со ссылками на чертеж, на котором приведена блок-схема заявленного устройства.
Устройство содержит RC-генератор 1 синусоидальных колебаний звукового диапазона с фазовым управлением частотой генерируемых колебаний.Первый вход RC-генератора 1 подключен к выходу стабилизатора 2 нулевого потенциала резистивного датчика 3, который выполнен в виде струны из нихромового сплава с высоким удельным сопротивлением. Первый вход стабилизатора 2 нулевого потенциала подключен к резистивному датчику 3, а второй вход - к первому выходу стабилизированного блока питания 4 с гальванической развязкой от внешних питающих цепей. Первый выход стабилизированного блока питания 4 также подключен ко второму входу RC-генератора 1, первому входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора, первому входу усилителя 6 и первому входу управляемого генератора тока 7. Второй выход стабилизированного блока питания 4 заземлен. Третий вход RC-генератора 1 подключен к выходу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора. Выход RC-генератора 1 подключен ко второму входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора. Четвертый (управляющий) вход RC-генератора 1 подключен к выходу усилителя 6. Второй вход усилителя 6 подключен к резистивному датчику 3, первому входу стабилизатора 2 нулевого потенциала резистивного датчика и выходу управляемого генератора тока 7. Второй вход управляемого генератора тока 7 подключен к выходу RC-генератора 1, второму входу узла 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора и входу выходного усилителя 8 с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей. Выход выходного усилителя 8 является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Основой прибора является RC-генератор 1 синусоидальных колебаний звукового диапазона с фазовым управлением частотой генерируемых колебаний. Выходной сигнал RC-генератора 1 поступает на второй вход управляемого генератора тока 7, имеющего высокое выходное сопротивление. Мгновенное значение выходного тока этого генератора 7 пропорционально мгновенному напряжению на его входе. Таким образом, выходной ток имеет заданную синусоидальную форму и поступает на резистивный датчик 3 - преобразователь уровень-сопротивление.
На выходе резистивного датчика 3 напряжение имеет синусоидальную форму и его амплитуда пропорциональна сопротивлению участка датчика (струны), находящегося выше границы раздела вода-воздух. Это напряжение, после усиления в усилителе 6, поступает на управляющий (четвертый) вход RC-генератора 1 синусоидальных колебаний, что приводит к смещению частоты последнего на величину, пропорциональную величине входного сигнала.
В целом такая схема производит преобразование вида сопротивление-частота, то есть изменение частоты выходного сигнала генератора 1 оказывается пропорционально смещению границы раздела вода-воздух.
Узел 5 стабилизации амплитуды выходного сигнала RC-генератора 1 необходим для устранения паразитной амплитудной модуляции, вызываемой фазовыми погрешностями применяемого усилителя 6, а также комплексным характером выходного сопротивления резистивного датчика 3, поскольку он частично погружен в электролит, которым является морская вода.
Стабилизатор 2 нулевого потенциала резистивного датчика производит сравнение среднего потенциала резистивного датчика 3, поступающего на первый вход стабилизатора 2, с потенциалом заземления, поступающим на второй вход стабилизатора 2. В случае если эта разница превышает заданную величину (несколько милливольт), стабилизатор 2 нулевого потенциала вырабатывает сигнал коррекции, стабилизирующий потенциал резистивного датчика 3 в заданных пределах.
Данный контроль необходим для поддержания симметрии тока, питающего датчик 3, относительно «земли», что исключает электрохимическое разрушение резистивного датчика 3 и благоприятно сказывается на стабильности работы струнного волнографа в целом.
Стабилизированный блок питания 4 вырабатывает напряжения, необходимые для работы элементов схемы, и обеспечивает гальваническую развязку струнного волнографа от питающих цепей, устраняя этим попадание помех последовательного вида на резистивную струну 3.
С такой же целью в состав струнного волнографа введен выходной усилитель 8 с гальванической развязкой от входных и выходных сигнальных цепей.
Действующий опытный образец предлагаемого струнного волнографа был изготовлен и эксплуатируется на океанографической платформе в пгт. Кацивели (Республика Крым).
С его помощью были получены результаты в рамках следующих работ.
- Грант Российского научного фонда (проект №15-17-20020) «Динамика верхнего слоя океана по данным спутниковых радиолокационных и оптических измерений».
- Соглашение №14.577.21.0110 с Министерством образования и науки Российской Федерации на выполнение прикладных научных исследований «Разработка методов и создание экспериментального образца системы мониторинга антропогенных воздействий на шельфовые зоны черноморского побережья Российской Федерации, включая Крымский полуостров, на основе спутниковых и контактных данных».