ТЕРМОЗОНД ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ С АКУСТИЧЕСКИМ КАНАЛОМ СВЯЗИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОДЫ С ГЛУБИНОЙ НА ХОДУ СУДНА
SINGLE ACTION PROBE WITH ACOUSTIC COMMUNICATION CHANNEL FOR MEASURING TEMPERATURE DISTRIBUTION OF WATER BY DEPTH ON SHIP COURSE

Изобретение относится к устройствам измерения температуры, а более конкретно - к устройствам измерения температурного профиля воды по глубине как на ходу судна, так и в дрейфе.
Известен одноразовый океанографический зонд для глубоководных исследований [1], включающий корпус, имеющий груз в носовой части и хвостовое оперение для стабилизации, содержащий катушку с намотанной проволокой, выходящей через хвостовое отверстие, расположенное между стабилизаторами и соединенное с системой сбора данных. Зонд также включает в себя датчики свойств морской воды и для передачи сигнала измерения по проводу на систему сбора данных. Среди датчиков имеется датчик давления для определения глубины погружения зонда.
Недостатком устройства является наличие кабельной связи, что исключает его использование при движении судна.
Известен также одноразовый батитермограф, представляющий собой устройство для записи профиля температуры водоема (например, океана) с глубиной [2].
Недостатком является необходимость иметь промежуточный приемник акустического сигнала.
Известен также взятый за прототип термозонд одноразового действия для измерения вертикального распределения температуры воды по глубине, содержащий корпус, головную часть с грузом и измерительно-передающий блок, связанный с приемным блоком с помощью гидроакустического канала связи, а приемно-передающий блок выполнен в виде гидродинамического свистка с колебательным элементом в виде термочувствительной многослойной пластины из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения, закрепленной в узлах изгибных колебаний и установленной за щелевым соплом конического водозаборника, обращенного основанием в сторону головной части термозонда, а наружная поверхность корпуса снабжена наклонными направляющими [3].
Излучение акустической энергии пластиной осуществляется за счет ее колебания в направлении, перпендикулярном ее плоскости [4].
Недостатком устройства является внесение погрешности измерения температуры, вызванное жестким закреплением пластины в узлах изгибных колебаний, вызывающим изменение частоты колебания пластины вследствие температурного изменения жесткости той части пластины, которая располагается между узлами изгибных колебаний.
Техническим результатом является увеличение точности измерения температуры воды.
Указанный результат достигается тем, что термочувствительная многослойная пластина выполнена биметаллической с нечетным количеством чередующихся слоев и жестко закрепляется с помощью штифтов в узлах изгибных колебаний, размещенных только со стороны щелевидного сопла конического водозаборника. Штифты, установленные в других узлах, установлены с возможностью перемещения (скольжения).
На чертеже представлена конструкция устройства.
Термозонд содержит жесткий корпус 1, на наружной поверхности которого расположены наклонные направляющие 2, предназначенные для придания вращения зонду вокруг оси, совпадающей с направлением перемещения зонда. С одной стороны корпуса 1 размещена термочувствительная пластина 3, выполненная многослойной из материалов с разными температурными коэффициентами линейного расширения.
Термочувствительная пластина 3 жестко закреплена с помощью штифтов 4 и 5 в узлах изгибных колебаний и установлена за щелевидным соплом 6 конического водозаборника 7, обращенного основанием в сторону головной части термозонда, снабженной грузом 8 для достижения необходимой скорости погружения. Кроме того, термочувствительная пластина 3, с одной стороны, обладает определенной тепловой инерцией, а с другой, для более точного измерения температуры необходима как можно меньшая скорость погружения. Для устранения этого противоречия между термочувствительной пластиной 3 и грузом 8 устанавливается конический водозаборник 7, обращенный основанием в сторону головной части корпуса. Он выполняет роль стабилизатора скорости погружения (тормоза) и увеличивает скорость натекания потока из сопла 6 на термочувствительную пластину 3.
Термочувствительная пластина 3 как излучатель обладает направленной диаграммой излучения, максимум которой расположен перпендикулярно к плоскости пластины. Вращение термозонда вокруг продольной оси обеспечивает сканирование диаграммой направленности в плоскости, перпендикулярной направлению погружения, чем осуществляется возможность периодического приема сигнала, поскольку частота вращения намного меньше частоты излучения. Измерением числа сканирований в приемном блоке 9 определяется глубина погружения термозонда.
Устройство работает следующим образом.
Под действием груза 8 и наклонных направляющих 2 термозонд, вращаясь вокруг продольной оси, перемещается вниз с постоянной скоростью. Движущийся относительно термозонда поток воды, проходя через конический водозаборник 7, увеличивает скорость истечения воды из сопла 6 и натекает на термочувствительную пластину 3, колеблющуюся под действием потока.
При постоянной скорости набегающего на пластину потока частота ее колебаний будет зависеть от температуры тех участков воды, через которые проходит погружающееся устройство, поскольку жесткость пластины будет зависеть от температуры среды. Это обусловлено тем, что в отличие от классической биметаллической пластины, имеющей только два металла с различным коэффициентом температурного расширения и изгибающейся при изменении температуры в одну сторону, биметаллическая пластина, сделанная из нечетного количества слоев двух металлов (например, четного одного металла 11 и нечетного другого металла 12), при изменении температуры будет изменять свою жесткость, а не будет отклоняться в одну сторону.
При изменении температуры воды будет изменяться размер пластины, в результате чего подвижный узел изгибных колебаний будет перемещаться по направляющей 10, в результате чего влияние сокращения не будет сказываться на изменение жесткости пластины, вызванной ее напряжением между узлами изгибных колебаний и, как следствие, на изменение частоты колебания пластины из-за изменения ее размеров. Количество сканирований диаграммой излучения будет определять глубину погружения.
Источники информации
1. Mark Е. Whalen, Randall Н. Elgin, Michael J. Depth sensing expendable oceanographic probes. US 5555518 А. Заявка от 5.12.1994 №US 08/349,607. Дата публикации 10/09/1996.
2. Massa Frank Expendable bathythermograph US 3561268 А. Дата приоритета 14 янв 1969. Первоначальный патентообладатель Dynamics Corp Massa Div.
3. Лебедев B.B., Степанов В.В. Термозонд одноразового действия для измерения вертикального распределения температуры воды по глубине. АС 1205656.
4. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Советская энциклопедия, 1979.