Конформный преобразователь гидрофизических параметров морской воды

 

Полезная модель относится к области исследования гидрофизических параметров морской воды и может быть использована в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых на подвижных носителях, для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, а также косвенных измерений таких параметров как соленость морской воды, скорость распространения звука в морской воде, плотность морской воды и т.д. Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности измерений гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях путем исключения возмущения потока морской воды вблизи преобразователя. Сущность полезной модели заключается в том, что преобразователь гидрофизических параметров морской воды содержит, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, преобразователь температуры морской воды и преобразователь давления, дополнительно содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке первичный измерительный преобразователь (ПИП) бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, диэлектрический корпус ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к ПИП давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса ПИП бесконтактного преобразователя УЭП со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения, связанный с герметичным кабельным вводом для подключения кабеля связи.

Полезная модель относится к области исследования гидрофизических параметров морской воды и может быть использована в составе специализированных комплексов или систем, устанавливаемых на подвижных носителях, для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, а также косвенных измерений таких параметров как соленость морской воды, скорость распространения звука в морской воде, плотность морской воды и т.д.

Практика современных океанологических исследований показывает, что при решении ряда задач необходимы прецизионные измерения и оперативная обработка различной гидрофизической информации в реальном масштабе времени на борту носителя аппаратуры при длительной эксплуатации. Основной целью подобных исследований является построение информационных карт гидрологических полей, изучение их временной и пространственной изменчивости, тонкой структуры, выявление аномальных гидрофизических зон и др.

Эффективность океанологических исследований определяется техническими характеристиками используемой измерительной техники - диапазоном измерений гидрофизических параметров, чувствительностью, погрешностью измерений, а также надежностью измерительных средств и состоянием их метрологического обеспечения.

Известны различные системы, предназначенные для анализа состояния морской среды [1-10], содержащие преобразователи гидрохимико-физических параметров водной среды и регистрирующую аппаратуру. Аппаратура обеспечивает сбор и обработку данных с преобразователей гидрофизических параметров и регистрацию результатов обработки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому преобразователю гидрофизических параметров морской воды и выбранным в качестве прототипа является преобразователь гидрофизических параметров водной среды, входящий в состав системы измерительной химико-физических параметров водной среды и описанный в описании полезной модели [11]. Преобразователь-прототип содержит контактный преобразователь удельной электрической проводимости водной среды, преобразователь температуры, преобразователь водородного показателя,

преобразователь значения окислительно-восстановительного потенциала, электрод сравнения, преобразователь массовой концентрации растворенного кислорода, преобразователь глубины, автономный двуполярный источник напряжения питания, запитывающий повторители напряжения, входящие в состав преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала и электрода сравнения, и аналого-цифровой преобразователь с контроллером интерфейса RS-485 на выходе, при этом первичные измерительные преобразователи контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения, общий для преобразователя водородного показателя и преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, установлены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды, первичный измерительный преобразователь (ПИП) контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды имеет форму обтекаемого тела вращения, расположен соосно корпусу преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, и содержит пару токовых электродов, один из которых имеет круглую форму и расположен в носовой части ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, а другой образован корпусом ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости, и пару кольцевых потенциальных электродов, расположенных между токовыми электродами соосно этим электродам и изолированных один от другого и от токовых электродов, ПИП преобразователя температуры выполнен из тонкой изолированной медной проволоки, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, один из которых образован выступом в корпусе ПИП преобразователя температуры, а другой герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом ПИП преобразователя температуры, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания жидкости внутри первого полого тонкостенного цилиндра, ПИП преобразователя водородного показателя выполнен в виде электрода для определения водородного показателя, к которому подключен повторитель напряжения электрода для определения водородного показателя, ПИП

преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала выполнен в виде платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, к которому подключен повторитель напряжения платинового электрода для определения значения окислительно-восстановительного потенциала, ПИП преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода, выполнен в виде двухэлектродной ячейки для определения массовой концентрации растворенного кислорода, к выходу которой подключен преобразователь ток-напряжение, ПИП преобразователя глубины выполнен в виде тензометрического мостового преобразователя давления, первичные измерительные преобразователи преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины, а также электрод сравнения расположены в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды вокруг ПИП контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, выходы контактного преобразователя удельной электрической проводимости водной среды, преобразователя температуры, преобразователя водородного показателя, преобразователя значения окислительно-восстановительного потенциала, электрода сравнения, преобразователя массовой концентрации растворенного кислорода и преобразователя глубины подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, вход-выход контроллера интерфейса RS-485 соединен последовательным каналом связи с соответствующим входом-выходом электронно-вычислительной машины, которая выполнена с возможностью обработки данных, получаемых от преобразователя гидрохимико-физических параметров водной среды, визуализацию обработанных результатов измерения, архивирование и документирование измерительной информации.

Недостатками известного преобразователя параметров водной среды является ограниченные возможности применения для измерения гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях из-за недостаточной точность измерения параметров в следствие искажений, вносимых возмущенностью потока жидкости вблизи преобразователя.

Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение точности измерений гидрофизических параметров морской воды в подвижных условиях путем исключения возмущения потока морской воды вблизи преобразователя.

Сущность полезной модели заключается в том, что преобразователь гидрофизических параметров морской воды содержащий, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, преобразователь температуры морской воды и преобразователь давления, дополнительно содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, диэлектрический корпус ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к ПИП давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса ПИП бесконтактного преобразователя УЭП со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения, связанный с герметичным кабельным вводом для подключения кабеля связи.

Сущность полезной модели поясняется чертежами на которых представлены:

на фиг.1 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид);

на фиг.2 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (общий вид со снятым кожухом);

на фиг.3 - конструкция преобразователя гидрофизических параметров (ПГФП) морской воды (вид сбоку в поперечном сечении);

на фиг.4 - схема бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

на фиг.5 - конструкция ПИП преобразователя температуры.

На чертежах обозначено:

1 - измерительный блок;

2 - ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

3 - ПИП преобразователя температуры морской воды;

4 - ПИП давления;

5 - блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения;

6 - кожух;

7 - отверстие для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды;

8 - отверстие для установки ПИП преобразователя температуры морской воды;

9 - отверстие для отвода морской воды;

10 - отверстие, обеспечивающее доступ воды в ПИП давления;

11 - герметичный кабельный ввод;

12 - питающий трансформатор;

13 - измерительный трансформатор;

14 - диэлектрический корпус бесконтактного преобразователя УЭП;

15 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12;

16 - обмотка, расположенная на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13;

17 - объемный жидкостной виток связи;

18 - источник переменного напряжения;

19 - усилитель;

20 - детектор;

21 - медная проволока,

22 - первый тонкостенный цилиндр,

23 - второй тонкостенный цилиндр,

24 - корпус ПИП преобразователя температуры,

25 - наклонные отверстия в корпусе ПИП преобразователя температуры,

26, 27 - сварные швы,

28, 29 - контакты ПИП преобразователя температуры,

В обтекаемом кожухе 6 для каждого измерительного блока выполнены отверстия 7 и 8 для установки ПИП бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП преобразователя температуры морской воды соответственно, а также отверстия 9 для отвода морской воды.

Бесконтактный преобразователь УЭП морской воды содержит питающий и измерительный трансформаторы 12 и 13, размещенные в диэлектрическом корпусе 14, источник 18 переменного напряжения подключенный к обмотке 15, расположенной на

тороидальном сердечнике питающего трансформатора 12, последовательно соединенные усилитель 19, вход которого подключен к обмотке 16, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора 13, и детектор 20, выход которого является выходом бесконтактного преобразователя УЭП. Объемный виток 17 связи на фиг.4 показан условно ограниченным. В действительности границы объема морской воды, участвующие в его образовании, неопределенны. Источник 18 переменного напряжения, усилитель 19 и детектор 20 входят в состав блока 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения и расположены в герметичной зоне измерительных блоков.

ПИП 3 преобразователя температуры (см. фиг.5) выполнен из тонкой изолированной медной проволоки 21, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами 22 и 23, один из которых (первый цилиндр 22) образован выступом в корпусе ПИП 3, а другой (второй цилиндр 23) герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром 22 и корпусом 24 ПИП 3, в котором выполнены наклонные отверстия 25 для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра 22. Герметичность соединения тонкостенных цилиндров 22 и 23 обеспечивается сварными швами 26 и 27. Сигнал ПИП 3 выдается на контакты 28 и 29.

ПИП 4 преобразователя давления может быть выполнен в виде тензометрического преобразователя давления.

Блок 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения представляет собой набор печатных плат преимущественно круглой формы, на которых реализованы источник 18 переменного напряжения, усилитель 19, детектор 20, а также измерительные усилители для ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления, выходы которых и выход детектора 20 подключены к входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход которого является выходом ПГФП морской воды. При этом АЦП может иметь встроенный контроллер интерфейса передачи данных, например, интерфейса RS-232, RS-485, MIL-STD-1553 и т.п.

Блок 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения также может содержать устройство обработки, в качестве которого может использоваться микропроцессор, микроконтроллер или электронно-вычислительная машина. В этом случае выход АЦП подключен в входу устройства обработки, а выходом ПГФП морской воды является выход устройства обработки.

Устройство обработки может быть выполнено с возможностью хранения

собранных данных, а также с возможностью вычисления солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды и т.п.

Преобразователь гидрофизических параметров морской воды работает следующим образом. Преобразователь перемещается в морской воде (например, установлен на подвижном носителе). Морская вода попадает во входные отверстия ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и проходит соответственно через ПИП 2 бесконтактного преобразователя УЭП морской воды и ПИП 3 преобразователя температуры морской воды. Также вода проникает через отверстия 10, обеспечивающие доступ воды к ПИП 4 давления и создает на него гидростатическое давление.

Бесконтактный преобразователь УЭП работает следующим образом. Под действием переменного напряжения, в частности, частотой 16 кГц в объемном жидкостном витке 17 связи, охватывающем тороидальные сердечники питающего и измерительного трансформаторов 12 и 13, возбуждается ЭДС и протекает ток, пропорциональный измеряемой УЭП морской воды. Этот ток приводит к появлению тока в обмотке 16 измерительного трансформатора 13, работающего в режиме трансформатора тока. Выходной токовый сигнал измерительного трансформатора 13 усиливается, детектируется и поступает на выход преобразователя УЭП в виде напряжения, пропорционального измеряемой УЭП.

Сигналы ПИП 2 бесконтактных преобразователей УЭП морской воды, ПИП 3 преобразователя температуры морской воды и ПИП 4 давления поступают в соответствующие блоки 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения, где усиливаются и преобразуются в цифровую форму. Полученные цифровые данные передаются по каналу связи на выход ПГФП морской воды. Кроме этого блоки 5 измерительных преобразователей и устройств сопряжения могут осуществлять определение расчетным путем солености морской воды, скорости распространения звука в морской воде, плотности морской воды. Для этого осуществляется вычисление глубины в функции гидростатического давления с учетом широты:

Н=(99,404+4,983·10 -4-2,06·10-42+1,492·10-63)p-2,204·10 -2p2,

где р - гидростатическое давление, МПа;

- географическая широта, градусы.

Вычисление солености производится по шкале практической солености (ШПС-78) следующим образом:

определяется зависимость относительной электропроводности растворов нормальной воды от температуры RP :

где - удельная электрическая проводимость, мСм/см;

Т - температура, °С;

определяется влияние гидростатического давления на относительную электропроводность R p:

где R - относительная электропроводность воды с соленостью S [], температурой Т [°С] при давлении р [МПа] по отношению к стандартному раствору КСl при 15°С или эквивалентного ему раствора нормальной морской воды.

(35,15,0)=49,911 мСм/см;

определяется R T - относительная электропроводность воды с соленостью S [], температурой Т [°С] при атмосферном давлении по отношению к раствору нормальной морской воды при той же температуре

вычисляется практическая соленость S:

Плотность морской среды вычисляют по международному уравнению состояния морской воды УС-80.

Плотность , (кг/м3), морской воды в функции практической солености S, температуры Т и гидростатического давления р определяют по формуле

где K(S, T, p) - средний модуль упругости морской воды;

- плотность, кг/м3;

Т - температура, °С;

S - соленость, ;

р - гидростатическое давление, МПа.

Плотность морской воды при атмосферном давлении (р=0) определяют по соотношению

(S,T,0)=+(b0+b1 T+b2T2+b 3T3+b4T 4)S+(c0+c1T+c 2T2)S3/2+d 0S2,

где b0 =8,24493·10-1; b1 =-4,0899·10-3; b2 =7,6438·10-5; b3 =-8,2467·10-7;

b 4=5,3875·10-9; c 0=-5,72466·10-3; с 1=1,0227·10-4; с 2=-1,6546·10-6;

d 0=4,8314·10-4.

Плотность эталонной чистой среднеокеанической воды определяют по формуле

01 Т+а2Т2 3Т34Т 35Т5,

где a0=999,842594; а 1=6,793952·10-2; a 2=-9,095290·10-3; а 3=1,001685·10-4;

а 4=-1,120083·10-6; а 5=6,536332·10-9.

Средний модуль упругости морской воды определяют по формуле

K(S,T,p)=K(S,T,0)+Ap+Bp 2,

где K(S,T,0)=K+(f0+f1 T+f2T2+f 3T3)S+(g0+g 1T+g2T2)S 3/2;

f0=5,46746; f 1=-6,03459·10-2; f 2=1,09987·10-3; f 3=-6,1670·10-6;

g 0=7,944·10-3; g 1=1,6483·10-3; g 2=-5,3009·10-5;

A=A+(i0+i1 T+i2T2)S+j 0S3/2;

i0 =2,2838·10-3; i1 =-1,0981·10-5; i2 =-1,6078·10-6; j0 =1,91075·10-4;

B=B+(m0+m1 T+m2T2)S;

m 0=-9,9348·10-6; m 1=2,0816·10-7; m 2=9,1697·10-9;

К01 Т+е2T2 3T34T 4;

e0=1965,221; е 1=14,84206; e2=-2,327105·10 -1; e3=1,360477·10 -3;

e4=-5,155288·10 -6;

A=h0+h1 T+h2T2+h 3T3;

h0 =3,239908; h1=1,43713·10 -3; h2=1,16092·10 -4; h3=-5,77905·10 -7;

B=k0+k1 T+k2T2;

k 0=8,50935·10-4; k 1=-6,12239·10-5; k 2=5,2787·10-7.

Скорость звука вычисляется в зависимости от температуры, гидростатического давления и солености по формуле:

С=1402.3874+5.0383617·Т-5.8117292·10 -2·T2+

+3.3463882·10 -4·T3-1.4825967·10 -6·T4+

+3.1658502·10 -9·T5+(1.391098228-1.2998507·10 -2·T+

+1.25843366·10-4 ·T2-4.9459941·10 -7·T3)·S+

+(-1.9755249·10 -2-1.1412619·10-4·Т+

+4.02435713·10-6·T 2)·S3/2+(1.7058269·10 -3+

+1.54245467·10-5·T-6.6810333·10 -7·T2)·S 2+

+p·(1.4994347+8.1039755·10 -3·T-1.1169791·10-4·Т 2+

+1.72922898·10-6·T 3-7.6999585·10-9·T 4+

+(3.0944321·10-3-1.8902101·10 -4·Т+

+3.82065283·10-6 ·Т2-3.6174469·10 -8·T3)·S+

+(-9.5720141·10 -6+1.04551722·10-6·T-

-4.2767723·10-8·T 2+6.62068325·10-10·T 3)·S2)+

2·(3.969523·10-3-2.0048177·10 -4·T+

+3.2856051·10-6 ·Т2-3.340451345·10 -8·T3+

+1.37256278·10 -10·T4+(-4.9583140·10 -5+

+1.67823060·10-6·T-1.4579402·10 -8·Т2)·S)+

3·(-1.5235495·10-5+6.6311236·10 -7·T-

-1.0555834·10-8 ·T2+1.0503105·10 -10·T3-

-4.5780857·10 -13·T4+(2.31706232·10 -7-

-8.0557016·10-9·Т+7.7763909·10 -11·T2)·S),

где С - скорость звука, м/с;

Т - температура, °С;

S - соленость, ;

р - гидростатическое давление, МПа.

В результате использования полезной модели за счет снижения возмущения потока воды повышена точность измерения гидрофизических параметров морской воды, а также точность определения гидрофизических параметров морской воды, получаемых расчетным путем.

Таким образом, представленные чертежи и описание позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить ПГФП морской воды промышленным способом и использовать его в составе специализированных комплексов или систем для измерения гидрофизических параметров морской воды, таких как удельная электрическая проводимость, температура, давление, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.П.Буторин и др. Аппаратура сбора и обработки информации для автоматических контрольно-замерных станций систем контроля окружающей среды типа "АНКОС" / Сб. докл. Семинар Автоматизация контроля загрязнения окружающей Среды. - М.: МДНТП. - 1988.

2. Система мониторинга качества воды / Нихон мусэн тихо // GRE Rev. - 1988, №26. - С.14-20.

3. Система для мониторинга приповерхностных вод/ Fukuchi Mitsuo, Hottori Hitoshi. - Proc. NIPR Symp. Polar Biol. - 1987, 1. - С.47-55.

4. Burr P. An instrumented underwater towed vehicle. Oceanology internationale 69. Conf. technical sessions, day 1. - Brighton. - 1969 (Англия).

5. Analysis of Exploration of Mining Technology for Manganese Nodyles / Seabed Minerals Sessions. - Vol.2. - United Ocean Economics and Technology Branch (Published in cooperation with the United Nations by Graham & Trotman Ltd.). - 1984. - P. 20, fig. 3.

6. Патент РФ №2030747 на изобретение, МПК G 01 N 33/18, 1990 г.

7. Свидет. РФ №301 на полезную модель, МПК В 63 В 38/00, 1993 г.

8. Свидет. РФ №2797 на полезную модель, МПК В 63 В 35/00,1996 г.

9. Свидет. РФ №3041 на полезную модель, МПК G 01 N 27/00, 1996 г.

10. Авт. свидет. СССР №1029063 на изобретение, МПК G 01 N 27/02, 1981 г.

11. Свидет. РФ №29376 на полезную модель, МПК G 01 N 27/00, 2003 г. (прототип).

Преобразователь гидрофизических параметров морской воды, содержащий, по меньшей мере, один измерительный блок, включающий в себя преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды, преобразователь температуры морской воды и преобразователь давления, отличающийся тем, что он содержит кожух, наружная поверхность которого со стороны набегающего потока имеет форму цилиндра обтекаемой формы, при этом в каждом измерительном блоке первичный измерительный преобразователь (ПИП) бесконтактного преобразователя УЭП морской воды содержит размещенные в диэлектрическом корпусе питающий и измерительный трансформаторы с обмотками, расположенными на тороидальных сердечниках, диэлектрический корпус ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры установлены в отверстиях, выполненных в кожухе, оси которых перпендикулярны образующей цилиндрической поверхности кожуха и расположены в плоскости симметрии кожуха, который имеет отверстия для отвода морской воды, протекающей через ПИП бесконтактного преобразователя УЭП и ПИП преобразователя температуры, и отверстия, обеспечивающие доступ морской воды к ПИП давления, наружная цилиндрическая поверхность диэлектрического корпуса ПИП бесконтактного преобразователя УЭП со стороны набегающего потока сопряжена с наружной поверхностью кожуха, каждый измерительный блок имеет герметичный отсек, в котором размещен блок измерительных преобразователей и устройств сопряжения, связанный с герметичным кабельным вводом для подключения кабеля связи.



 

Наверх