Дрейфующий волнографический комплекс для измерения параметров коротких ветровых волн на морской поверхности

Полезная модель относится к области исследования динамики морской поверхности, в частности полезная модель относится к устройствам для измерения параметров морского волнения и может быть использована при наблюдениях с борта судна, а также с неподвижных морских платформ.
Для определения параметров поверхностных волн в открытом море обычно используют буи, имеющие измерители собственных ускорений и вектора магнитного поля, с помощью которых определяются характеристики перемещения буя, вызванного волновым воздействием, в системе координат, связанной с магнитным полем Земли [1-4]. Измеренные параметры пересчитываются в стандартные гидрометеорологические характеристики (высота, направление, период значимых волн, энергетический спектр волнения), которые аккумулируются в памяти устройства и/или передаются пользователям по различным каналам связи.
Наиболее близким аналогом может быть выбран волновой буй (Патент США №451501 3А), имеющий дисковую форму, снабженный трехосевым датчиком ускорения, трехосевым магнитометром, блоком управления и обработки данных, передатчиком, мачтой для крепления передающей антенны, якорем и плавучим стабилизирующим якорем. Буй ставится на якоре в заданной точке и работает в автономном режиме. Стабилизирующий плавучий якорь служит для уменьшения вращательных колебаний в горизонтальной плоскости. Параметры волнения, рассчитанные процессором внутри устройства, передаются по радиоканалу на берег или на судно.
К недостаткам вышеописанного устройства можно отнести большие габариты корпуса и наличие мачты, которые исключают измерения в коротковолновой области спектра, а также вносят искажения в измерения за счет собственных колебаний, частота которых попадает в спектр поверхностных гравитационных волн. Большие габариты также увеличивают время, необходимое для проведения измерений на океанографических станциях.
Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве, заключается в возможности измерений в коротковолновой области спектра морского волнения. Технический результат достигается благодаря уменьшению диаметра корпуса прибора за счет увеличения его высоты, при этом собственные колебания корпуса, измеряемые тремя осесимметричными датчиками уровня погружения корпуса, учитываются при последующей обработке данных.
Для достижения заявленного технического результата уменьшен диаметр корпуса за счет увеличения высоты корпуса, а также добавлены датчики уровня погружения корпуса относительно морской поверхности, позволяющие учитывать собственные колебания корпуса при обработке данных. В результате корпус устройства представляет собой цилиндр малого диаметра, собственные колебания которого (являющиеся искажающим фактором при измерении параметров волн) могут быть учтены при обработке данных датчиков уровня погружения корпуса.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели достаточна для достижения результата, связанного с измерением параметров морского поверхностного волнения в коротковолновом диапазоне.
На фигуре представлена структурная схема заявляемого устройства (А - вид сверху с открытой крышкой, Б - вид сбоку, В - блок-схема).
1 - переключатель; 2 - гнездо разъема накопителя данных; 3 - гнездо разъема зарядного устройства; 4 - водонепроницаемый корпус; 5 - датчики уровня; 6 - удерживающий фал; 7 - контроллер заряда; 8 - трехосевой датчик угловых скоростей; 9 - аккумулятор; 10 - блок управления; 11 - трехосевой датчик ускорения; 12 - блок накопления данных; 13 - трехосевой датчик магнитного поля.
Конструкция предлагаемого прибора состоит из следующих основных частей (деталей). Водонепроницаемый корпус 4 изготовлен из пластмассы, имеет диаметр 3 см и высоту 15 см. Сверху корпус закрыт герметизированной крышкой, через которую осуществляется включение/выключение прибора переключателем 1, зарядка аккумулятора 9 и доступ к внутренним модулям. К корпусу через вертлюг крепится нейлоновый фал 6, диаметр которого составляет 0.5 мм. Внутри корпуса находится литий-ионный аккумулятор 9. Трехосевые датчики ускорения 11 и угловых скоростей 8 расположены на вертикальной оси симметрии корпуса. Центр тяжести расположен ниже центра плавучести, при этом оба находятся на вертикальной оси симметрии корпуса. Трехосевой датчик магнитного поля 13 расположен в одной плоскости с датчиками 8 и 11. Снаружи корпуса параллельно оси симметрии прибора расположены три датчика уровня 5, каждый из которых представляет собой петлю из провода, имеющего высокое удельное сопротивление (никель-хромовый сплав). Сигналы датчиков 5, 8, 11, 13 поступают в блок управления 10 и записываются на внешний накопитель данных (карта памяти формата microSD) в блоке накопления данных 12. Зарядка аккумулятора 9 производится через разъем micro-USB 3 контроллера заряда 7.
Устройство работает следующим образом. Для начала работы открывают крышку прибора, вставляют накопитель данных, включают прибор, закрывают крышку, крепят корпус прибора с помощью нейлонового фала к безинерционной лебедке и выбрасывают за борт. В воде корпус сам приобретает рабочее положение. По мере свободного дрейфа прибора вытравливают фал так, чтобы он все время имел слабину. Сигналы датчиков записываются на накопитель данных. По завершении измерений прибор поднимают на борт с помощью фала, открывают крышку, выключают, достают карту памяти, после чего обработка полученных данных производится на персональном компьютере или другом вычислительном устройстве.
Прототип предлагаемого прибора испытывался в лабораторных условиях, в результате чего удалось регистрировать сигналы датчиков с частотой дискретизации около 100 Гц. Заряженного аккумулятора емкостью 300 мАч хватает на 6 ч непрерывной работы. Карты памяти объемом 4 Гб достаточно для записи 320 ч данных. При этом размеры корпуса таковы, что возможно измерение параметров волн длиной 20 см и более, в то время как нижний предел для известных образцов составляет несколько метров.
Литература:
1. Пыхов Н.В. Динамические процессы береговой зоны моря // 2003, М: Научный мир. ISBN: 5-89176-197-1, с. 312.
2. Патент US 4515013A США / Jean-Pierre Hue; Apparatus for measuring the vertical acceleration due to the swell, опубл. 07.05.1985.
3. K.E. Steele, Chung-Chu Teng, D.W.C. Wang, Wave direction measurements using pitch-roll buoys // 1992, Ocean Engineering, Vol. 19, Iss. 4, pp. 349-375.
4. NDBC, 2009: Handbook of Automated Data Quality Control Checks and Procedures NDBC Technical Document 09-02, NDBC, Stennis Space Center, MS, 78 pp. [Available on-line at http://www.ndbc.noaa.gov/NDBCHandbookofAutomatedDataQualityControl2009.pdf]