Гидрологический зонд для измерения скорости звука в море

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к акустическим измерениям и может быть использована для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи. Сущность: после сброса гидроакустического зонда в воду включается его автономный источник питания, по команде микроконтроллера импульсный генератор ударно возбуждает видеоимпульсом цилиндрический гидроакустический преобразователь по толщине стенки. Принятые радиоимпульсы, соответствующие многократно отраженным от поверхности заполненной водой внутренней полости цилиндрического пьезоэлемента акустическим импульсам, через усилитель и аналого-цифровой преобразователь поступают в микроконтроллер, который определяет времена их прихода, вычисляет по ним измеренные значения скорости звука в воде и запоминает их. Микроконтроллер формирует соответствующий этим значениям цифровой электрический радиосигнал, который подается через усилитель мощности на гидроакустический излучатель зонда. Введена схема, включающая автономный источник питания зонда при погружении его в морскую воду. Технический результат состоит в повышении точности измерения скорости звука, значительном упрощении выполнения электронной части зонда и уменьшении его стоимости.

Полезная модель относится к акустическим измерениям и может быть использована для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи.

Известны зонды для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи (гидроакустические зонды).

В книге [1] дано описание погружаемого в море на кабель-тросе гидроакустического зонда, состоящего из частотных датчиков скорости звука и глубины, формирователя сигнала излучения, усилителя мощности и гидроакустического излучателя. Излучаемый гидроакустическим излучателем сигнал представляет сумму трех сигналов: стабилизированной кварцем несущей частоты и двух сигналов, частота которых однозначно зависит от значения измеряемой скорости звука и гидростатического давления соответственно.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются необходимость использования палубного оборудования для погружения и подъема зонда на тросе, невозможность измерять таким зондом на ходу судна, а также малая точность, обусловленная излучением непрерывных аналоговых акустических сигналов зонда, мешающих нормальному функционированию его датчика скорости звука и имеющих низкую помехоустойчивость приема.

Гидроакустический зонд одноразового использования по патенту США [2] содержит герметичный контейнер с импульсно-циклическим датчиком скорости звука, датчиком глубины (гидростатического давления), амплитудным модулятором, генератором фиксированной частоты, усилителем мощности, гидроакустическим излучателем и автономным источником питания.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и большая стоимость одноразового гидрологического зонда, а также малая точность, обусловленная излучением непрерывных аналоговых акустических сигналов зонда, мешающих нормальному функционированию его датчика скорости звука и имеющих низкую помехоустойчивость приема.

Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемой полезной модели является гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море по авторскому свидетельству СССР [3], состоящий из импульсно-циклического датчика скорости звука, задающего генератора, преобразователя частотного сигнала датчика в двоичный код, акустического передатчика и автономного источника питания. Датчик скорости звука включает в себя последовательно электрически связанные импульсный генератор, цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь и усилитель принятого сигнала. Задающий генератор состоит из последовательно электрически соединенных кварцевого генератора фиксированной частоты, первого и второго делителей частоты и элемента задержки. Преобразователь частотного сигнала датчика скорости звука в двоичный код выполнен из последовательно соединенных вычитающего устройства, временного селектора, двоичного счетчика и сдвигового регистра, последовательно соединенных формирователя интервала отсчетов, формирователя маркерного сигнала и формирователя сигнала параллельной записи. Акустический передатчик включает в себя импульсный амплитудный модулятор, усилитель мощности и гидроакустический излучатель.

Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море излучает импульсный цифровой акустический радиосигнал и поэтому у него отсутствуют недостатки, характерные для зондов с аналоговым излучающим сигналом.

Причинами, препятствующей достижению технического результата, является низкая точность измерения скорости звука, вследствие использования импульсно-циклического датчика скорости звука с цилиндрическим акустическим преобразователем при наличии в его рабочей внутренней полости многократных отражений акустического сигнала, которые мешают приему полезного сигнала, повышенная стоимость одноразового гидроакустического зонда из-за сложности его задающего генератора и преобразователя частотного сигнала датчика скорости звука в двоичный код, выполненных из большого количества отдельных цифровых и логических микросхем.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемой полезной модели, состоит в повышении точности измерения скорости звука, значительном упрощении выполнения электронной части зонда и уменьшении его стоимости.

Для достижения технического результата в предлагаемом гидроакустическом зонде для измерения скорости звука в море введены аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу усилителя принятого сигнала, а выходы кварцевого генератора и аналого-цифрового преобразователя подсоединены к соответствующим входам микроконтроллера, первый выход которого подключен к входу импульсного генератора, а второй его выход электрически связан с входом усилителя мощности. Дополнительно введена схема включения автономного источника питания.

Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена структурная схема гидроакустического зонда для измерения скорости звука в море. Гидроакустический зонд содержит: микроконтроллер 1; импульсный генератор 2; цилиндрический акустический преобразователь 3; усилитель 4; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5; усилитель мощности 6; гидроакустический излучатель 7; кварцевый генератор 8; автономный источник питания 9; схему включения источника питания 10; контакт схемы включения источника питания 11.

Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море функционирует следующим образом.

После сброса зонда в воду по команде микроконтроллера 1 с выхода импульсного генератора 2 на обратимый цилиндрический акустический преобразователь 3 подается электрический видеоимпульс. Цилиндрический пьезоэлемент преобразователя 3 ударно возбуждается по толщине стенки. Соответствующий акустический радиоимпульс распространяется в воде, заполняющей внутреннюю полость цилиндра, до противоположного участка внутренней поверхности, где отражается и возвращается обратно. Данный процесс отражений повторяется многократно.

С выхода цилиндрического пьезоэлемента принятый и преобразованный в электрический радиоимпульс через усилитель 4 поступает на вход АЦП 5, который микроконтроллером 1 включается через время t1 после момента излучения импульса, и до момента времени t2 производится оцифровка сигналов с выхода усилителя и передача его в микропроцессор 1. Интервалы времени t1 и t2 определяются как t1=n·d/C1 и t2=n·d/C 2, где d - внутренний диаметр цилиндрического пьезоэлемента акустического преобразователя, n - число используемых отражений акустического импульса при его распространении в воде во внутренней полости цилиндра, C11600 м/с - максимальное для данного датчика измеряемое значение скорости звука в воде,C21400 м/с - значение скорости звука немного меньшее, чем минимально возможное ее значение в воде (~1402 м/с).

Для обеспечения процесса полного затухания отражений акустических импульсов, излучение радиоимпульсов производится с периодом следования, которое значительно больше значения времени t2.

В промежутке времени от t1 до t2 микроконтроллер 1 определяет время прихода с принятого радиоимпульса и по нему находит измеренное значение скорости звука в воде по формуле CИ=n·d/TC, которое запоминается. Далее микроконтроллер 1 вырабатывает цифровой электрический радиосигнал, соответствующий измеренному значению скорости звука CИ , который через усилитель мощности 6 подается на гидроакустический излучатель зонда 7. Данные о значении скорости звука передаются сразу после окончания цикла измерения и не создают нежелательных акустических помех. Работа всех цифровых схем синхронизируется кварцевым генератором 8.

В зонде размещен выключенный в исходном состоянии автономный источник питания 9. Его включение осуществляется схемой включения источника питания 10, имеющей выходящий наружу изолированный от корпуса зонда контакт 11. При погружении зонда в морскую воду контакт 11 электрически соединяется через малое сопротивление соленой воды с металлическим корпусом зонда, при этом срабатывает схема 10, которая включает автономный источник питания 9, подающий на все электронные элементы зонда электрическое напряжение UП.

В предлагаемом гидроакустическом зонде для измерения скорости звука в море всего две микросхемы - АЦП и микроконтроллера функционально заменяют большое количества отдельных цифровых и логических микросхем, используемых в зонде - прототипе. То есть зонд, выполненный по предлагаемой полезной модели значительно проще, а значит и дешевле зонда - прототипа.

Принцип измерения скорости звука в воде в предлагаемом зонде основан на прямом импульсном методе, который позволяет при наличии микроконтроллера использовать n многократных отражений акустического импульса во внутренней полости цилиндрического пьезоэлемента и, следовательно в n раз по сравнению с прототипом уменьшить погрешность измерения скорости звука.

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

1. Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. СПб.: Наука. 2003. 357 с.

2. Pat. 3341808 USA. C1. 340-5. Telemetering apparatus / Levin M., Stahl R.A. Filed 12.10.1965. Publ. 12.09.1967.

3. A.c. 1770770 СССР. G01H 5/00. Акустический зонд для измерения скорости звука в море / Попов Е.Д., Матвеев М.В. Заявл. 11.01.1990. Опубл. 23.10.1992. БИ 39.

1. Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море, содержащий автономный источник питания, кварцевый генератор, электрически связанные импульсный генератор, цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь и усилитель принятого сигнала, последовательно электрически соединенные усилитель мощности и гидроакустический излучатель, отличающийся тем, что введены аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, первый вход аналого-цифрового преобразователя подключён к выходу усилителя принятого сигнала, а выходы кварцевого генератора и аналого-цифрового преобразователя подсоединены к соответствующим входам микроконтроллёра, первый выход которого подключён к входу импульсного генератора, второй выход подсоединён ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, а третий выход микроконтроллёра электрически связан с входом усилителя мощности.

2. Гидроакустический зонд по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно введена схема включения автономного источника питания.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:
Наверх