ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в естественных водоемах.
Известны измерители скорости звука в жидкой среде. Так измеритель скорости звука по свидетельству РФ на полезную модель [1] содержит толстостенный цилиндрический корпус, закрытый с торцов крышками с уплотнительными кольцами. С наружи корпуса на одной из крышек размещена акустическая база, состоящая из двух дисков, установленных на фиксированном расстоянии друг от друга посредством стоек из термостабильного материала. На диске, который крепится к крышке корпуса, установлен акустический приемоизлучатель, выход которого подключен к первому входу электронного блока обработки информации о скорости звука, размещенному внутри корпуса. Второй его вход подсоединен к датчику температуры, установленному на крышке внутри корпуса рядом с электрическим вводом акустической базы.
Достоинством измерителя скорости звука в жидкой среде по [1] является высокая точность измерения скорости звука. К его недостатку следует отнести отсутствие канала определения глубины, то есть невозможность без носителя измерения ВРСЗ, например в море.
В статье [2] дано описание измерителя скорости звука в жидкой среде в виде зонда, погружаемого на кабель-тросе. Зонд состоит из герметичного корпуса с датчиком скорости звука, подключенным к АЦП скорости звука, и датчиком гидростатического давления, подключенному к АЦП гидростатического давления. Выходы АЦП электрически связаны с кабель-тросом, по которому в цифровом виде передается измерительная информация о гидростатическом давлении и скорости звука в жидкой среде на горизонте нахождения зонда.
Достоинством измерителя скорости звука в жидкой среде по [2] является возможность измерения ВРСЗ.
Однако ВРСЗ определяется не как изменение скорости звука по глубине, а как ее изменение по мере увеличения (уменьшения) гидростатического давления, значения которого без дополнительных данных (о плотности жидкости и ускорении свободного падения в районе измерений) весьма приближенно соответствует фактической глубине.
К недостатку этого измерителя следует также отнести необходимость специальной лебедки с токосъемником для спуска-подъема зонда на кабель-тросе.
Наиболее близкими по совокупности признаков и технической сущности к предполагаемой полезной модели является измеритель
скорости звука в жидкой среде, входящий в состав комплекса «Аист» [3]. Измеритель представляет собою зонд в виде герметичного цилиндрического корпуса, опускаемого в жидкость на тросе. Снаружи корпуса установлены датчики скорости звука и температуры. Внутри корпуса размещены датчик гидростатического давления, штуцер которого выходит наружу к исследуемой жидкости, и АЦП гидростатического давления, скорости звука и температуры. Их первый, второй и третий входы подключены к выходам соответствующих датчиков гидростатического давления, скорости звука и температуры. Внутри корпуса размещены также блок выдачи данных, соответствующие входы которого подсоединены к выходам АЦП, его выход подключен к герметичному электрическому разъему, и автономный источник электропитания (аккумулятор).
Достоинствами измерителя скорости звука по [3] являются возможность измерения не только ВРСЗ, но и вертикального распределения температуры в жидкости, погружение-подъем зонда на тросе с использованием штатной судовой тросовой лебедки.
К его недостатку следует отнести измерение изменений скорости звука и температуры не по глубине, а по изменению с глубиной гидростатического давления.
Задачей настоящей полезной модели является создание измерителя скорости звука в жидкой среде в зависимости от фактической глубины его погружения. Поставленная задача достигается тем, что в устройство-прототип введен блок обработки данных, где по измеренным значениям гидростатического давления, скорости звука и температуры определяется глубина. Первый, второй и третий входы блока обработки данных подключены к выходам АЦП гидростатического давления, скорости звука и температуры, выходы электрически связаны с входами блока выдачи данных, второй выход которого подсоединен к четвертому входу блока обработки данных.
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 изображена структурная схема измерителя скорости звука в жидкой среде. На фиг.2 представлена блок-схема алгоритма определения глубины погружения зонда измерителя скорости звука.
Предлагаемый измеритель скорости звука в жидкой среде состоит (фиг.1) из герметичного корпуса 1, на внешней стороне которого установлены датчики температуры 2 и скорости звука 3. Внутри корпуса размещены датчик гидростатического давления 4 и АЦП гидростатического давления 5, АЦП скорости звука 6 и АЦП температуры 7, а также блок обработки данных 8 на микропроцессоре, блок выдачи данных 9 и автономный источник электропитания 10. На внешней стороне корпуса установлен герметичный электрический разъем 11.
Измеритель скорости звука в жидкости функционирует следующим образом. По мере погружения на тросе корпуса датчики 1, 2, 3 и 4 преобразуют измеряемые в жидкости величины - температуру
Т, скорость звука С и гидростатическое давление Р в соответсвующие электрические параметры (напряжение, частоту или период и т.п. выходного электрического сигнала). АЦП 5, 6 и 7 преобразуют эти электрические параметры в цифровую форму. Цифровые сигналы с выходов АЦП 5, 6 и 7 поступают на первый, второй и третий входы блока обработки данных 8. С выходов блока 8 цифровые сигналы, соответствующие глубине Z погружения корпуса 1, скорости звука С и температуре Т на горизонтах его нахождения подаются на соответствующие входы блока выдачи данных 9, где они запоминаются. После подъема корпуса 1 из жидкости на носитель, через герметичный разъем 11 из блока выдачи данных 9 в бортовую аппаратуру снимается в цифровой форме измерительная информация о скорости звука С и температуре Г в жидкости в зависимости от глубины погружения корпуса. Через этот же разъем 11 в блок выдачи данных 9 выдается в цифровой форме информация о широте места φ проведения измерений, которая через второй выход блока 9 снимается по мере необходимости в блок обработки данных 8.
i
Определение в блоке 8 глубины Z погружения корпуса 1 в море измеренным в воде значением гидростатического давления Р, скорости звука С и температуры Т производится следующим образом (см. фиг.2). Вначале определяется соленость S морской воды по формуле [4] на горизонте измерений
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
-3
2
-4
3
-2
-6
-7
3
2
-3
-5
2
-3
S=-1050,9-13,683T+8,2458·10T +1,0526·10T +P(-1,201-1,3294·10T+3,116·10T+2.0376·10T )+P (-1,2501·10+5,107·10T )+C(0,74938+7,075·10T),
i
i
i
i
где S[%]; T[C]; P [МПа]; C[м/с].
Далее находится ускорение свободного падения g; на горизонте измерений
i
0
i
-3
-4
g=9,7805(1+5,3·10sin(φ-φ)+2,2·10)P,
i
0
i
2
где g [м/с]; φ, φ [град]; P [МПа].
0
φ, φ - соответственно широта места измерений и поверки канала измерения гидростатического давления.
i
Далее находится плотность морской воды ρ на горизонте измерений [5].:
i
i
i
i
i
i
2
ρ=1028,52-0,073T-0,00469T +(0,802-0,002T)(S-35)+0,46P,
i
i
i
i
3
где: ρ [кг/м]; S [%]; T[С]; P [МПа].
n
И, наконец, находится глубина погружения Z корпуса измерителя скорости звука по формуле:
i
i
a
0
(Z)
где: P=P +(P-P);
i
i
(Z)
Р  - гидростатическое давление на глубине Z;
a
0
P и P - соответственно атмосферное давление у поверхности моря и в месте, где производилась поверка канала измерения гидростатического давления.
В настоящее время в ЦНИИ «Морфизприбор» изготовляется опытный образец измерителя скорости звука в жидкой среде по данной полезной модели.
Расчеты и лабораторные эксперименты, проведенные в процессе создания этого измерителя, показывают реальную возможность измерения с высокой точностью скорости звука и температуры в морской воде в зависимости от фактической глубины погружения.
Литература
1. Свидетельство РФ на полезную модель №21658 МПК 7 G 01 Н 5/00, заяв. 13.06.2001, опубл. 27.01.2002, БИПМ №3 (II ч.). Измеритель скорости звука в жидких средах.
2. Sound velocity profiler Int. Underwater Systems. Design 1986, 8, №2, р.44.
3. Комплекс "Аист", отрасл. центр "Мортехника", М., 1990, проспект, 4 с.
4. Калашников П.А. Первичная обработка гидрометеорологической информации, Л., Гидрометеоиздат, 1985, 152 с.
5. Мамаев О.И. T, S - анализ вод Мирового океана, Л., Гидрометеоиздат, 1970, 364 с.