Устройство для определения характеристик морских ветровых волн

Устройство относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях. Сущность: устройство состоит из корпуса цилиндрической формы, мачты с передающим устройством передачи информации, измерителя параметров ветра, измерителя параметров атмосферного давления с баропортом, датчиков температуры воздуха и воды, маячка, радиолокационного углового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания. Баропорт включает разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухозаборник. Внутри воздухозаборной трубки размещен шаровой клапан. Корпус буя выполнен из армированной пластмассы. Нижняя часть корпуса выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством. Верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющегося к верху конуса под углом в 30 град. В центре конуса герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус. В верхней части трубки на траверсе установлен датчик температуры воздуха, а в нижней части - датчик температуры воды. Второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране. Технический результат: повышение точности измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к гидрометеорологии, а более конкретно для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.

Известно устройство для измерения параметров внутренних волн, содержащее закрепленный на буе нейтральной плавучести регистратор, датчик глубины, акустический импульсный излучатель, гидрофон и трос [1].

При использовании данного устройства по прямому назначению удовлетворительные результаты могут быть получены при обеспечении малых колебаниях буя, что при данной конструкции устройства может быть обеспечено только при малом волнении.

Известное устройство [2] для измерения высоты волн содержит волномерную веху с блоком считывания информации, блок формирования выходного сигнала и счетчик импульсов, в котором веха выполнена в виде стержня прямоугольного сечения с размещением на нем с возможностью перемещения цилиндрических поплавков, а блок считывания информации выполнен в виде расположенных на стержне мерных светодиодов и размещен со стороны их противоположных сторон источников света и четырех фоточувствительных элементов, установленных параллельно стержню. Данное устройство менее чувствительно к колебаниям. Однако использование светодиодов при волнении, особенно ветровом, приводит к забрызгиванию светодиодов и как следствие к существенным погрешностям измерения.

Уменьшение влияния ошибок от колебания буя под действием ветра и волнения достигается при использовании устройства для определения характеристик морских ветровых волн [3], содержащего буй в виде трех поплавков, нижние части которого посредством штанг соединены с карданным подвесом, в котором закреплена веха с измерительными датчиками и блок обработки, а центр бокового сопротивления вехи расположен между грузом, размещенным на нижнем конце вехи и границей ее погружения, в котором уменьшение влияния ошибок, обусловленных наклоном вехи и искажением волнового поля поплавками, обеспечивается расположением карданного подвеса в точке, совмещенной с центром бокового сопротивления вехи, а штанги соединены с поплавками через шарниры. Данное устройство обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении точности, однако достижение технического результата возможно при постоянстве гидрометеорологических факторов в течение длительного временного периода. В противном случае погрешность измерения сигналов с последующим определением характеристик морских ветровых волн может оказаться весьма существенной.

В известном устройстве [4], предназначенном для измерения высокочастотных спектров поверхностных волн и содержащем два волнографа, блок разности сигналов, спектроанализатор, три перестраиваемых фильтра, коррелометр, в котором входы коррелометра соединены с выходами волнографов, вторые выходы которых соединены с входами блока вычисления разностей, блок вычисления разности сигналов, третий фильтр и спектроанализатор соединены последовательно. Посредством данного устройства измеряют разность уровней поверхности поверхностной волны в двух точках, преобразуют результат измерения в электрический сигнал, определяют спектр поверхностных волн, при этом предварительно определяют частоту Wp, выше которой сигналы двух волнографов не коррелированы, электрический сигнал, соответствующий разности уровней поверхности поверхностной волны, подвергают высокоточной фильтрации, на частоте Wp, что позволяет повысить точность измерения.

Недостатком данного является то, что съем информации с волнографов может производиться только после их подъема на борт судна или посредством кабеля, что позволяет использовать данное устройство непосредственно в прибрежной зоне или на ограниченной водной акватории. Кроме того, данное устройство как и известные устройства [1, 3] позволяет получить ограниченный объем информации, что снижает достоверность получения конечных результатов.

Известно также устройство [5], предназначенное для измерения и передачи информации потребителям в реальном масштабе времени. Устройство выполнено в форме сферического буя и состоит из мачты с передающим устройством передачи информации по GSM/GPRS, радио и спутниковым каналам связи и снабжено метеорологическими датчиками (измеритель параметров ветра, измеритель атмосферного давления, датчик температуры), установленными на сенсорном кольце, маячком, радиолокационным уголковым отражателем, модулем управления с опционным блоком GPS, блоком информационной памяти, центральным модулем с контроллером, датчиками высоты волны и ориентации буя, датчиком скорости и направления течений, датчиком температуры воды, датчиками определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов водорода рН, контроля процессов окисления/восстановления, панелями солнечных батарей. Буй выполнен из полиуретана с наполнителем и противовесом. Внутри буя расположена пластиковая труба, имеющая акустическую проницаемость, внутри которой установлен датчик измерения скорости и направления течения. Данная совокупность датчиков в сочетании с наличием оперативной связи с потребителями обеспечивает получение более достоверной информации по сравнению с аналогами. Однако ввиду того, что буй выполнен сферической формы, то он подвержен в период эксплуатации заливаемости, от которой зависит надежность связи со спутником. Кроме того, при выборе конструкции буя приходится решать две проблемные и отчасти противоположные задач. С одной стороны, требуется обеспечить качественное отслеживание профиля волны - ординаты возвышения волны, с другой стороны, необходимо выполнение требований по отклонению буя от вертикали - величине угловых колебаний. Последнее требование достаточно жесткое и составляет 5 градусов. Именно при таких условиях обеспечивается нормальная связь через антенну со спутником. Помимо этого, данное устройство обладает еще рядом недостатков, заключающихся в следующем.

В качестве датчика температуры воздуха применен датчик измерения температуры и разности температур, аналогичный устройству, конструкция которого приведена в описании к авторскому свидетельству СССР №1786374. Данное устройство содержит дешифратор знака, соединенный выходом со знаковым входом блока индикации, а одним из входов - с выходом блока управления в виде коммутатора, термопреобразователь сопротивления, аналого-цифровой преобразователь, выход которого связан с одним из входов блока управления, блок вычитания, соединенный выходом с входом вычислительного блока, связанные последовательно источник тока, формирователь временных интервалов и первый регистр памяти, а также второй регистр памяти, выход которого подключен к одному из входов блока управления, для повышения точности измерения температуры и надежности работы устройства в него введен ряд элементов (регистры памяти, температуры и т.д.), соединенные соответствующим образом. При этом термопреобразователь сопротивления и эталонный резистор установлены совместно в выносном зонде, что позволяет повысить точность измерения за счет исключения систематических ошибок, но не исключает погрешность измерения, обусловленную случайной погрешностью, зависящую от влияния резко меняющихся внешних факторов, таких как солнечная радиация и смачивание датчика измерения температуры воздуха при волнении моря.

Применительно к измерителям температуры, установленным на автономных гидрометеорологических станциях (буях), результаты экспериментальных исследований показали следующее.

График температуры воды имеет гладкий характер без резких перепадов, четко корреляционный с суточным ходом температуры воздуха. Погрешность измерения температуры воды по отношению к контрольным измерениям составляет не более 0,6 градусов С, что существенно в 6 раз превышает погрешность измерения датчика, полученную в лабораторных условиях. Появление столь существенной дополнительной погрешности измерения вызвано недостаточно эффективной тепловой изоляцией датчика от несущих металлических конструкций буя, отслеживающих температуру окружающей воздушной среды.

Результаты измерений температуры воздуха достаточно в высокой степени соответствуют результатам контрольных измерений в пасмурную (при малой интенсивности солнечной радиации) или солнечную (при максимальной интенсивности солнечной радиации) и наличии ветра. В этих условиях различия в результатах измерений с контрольными приборами не превышает 1 градуса С. Однако в солнечную погоду при отсутствии ветра результаты измерений температуры воздуха оказываются существенно завышенными, достигая в отдельных случаях 5-9 градусов С.

Как показывают проведенные дополнительные исследования, существенные различия в показаниях связаны с воздействием на датчик температуры воздуха интенсивного восходящего теплового потока, образуемого при нагревании солнечной радиацией верхних несущих конструкций буя. Для исключения этого эффекта устанавливают солнцезащитный экран датчика температуры воздуха, который обеспечивает эффективную защиту от воздействия прямой солнечной радиации, сведя уровень дополнительной погрешности до допустимого, однако не обеспечивает достаточной защиты от обратного восходящего теплового потока.

Как свидетельствуют результаты сравнения с контрольными измерениями, радиационная поправка, при наличии защитного экрана, в солнечную погоду и при отсутствии ветра может достигать в отдельных случаях 5 градусов С при требовании к точности измерения температуры воздуха, равной 0,5 градусов С.

Столь значительное влияние солнечной радиации на измерение температуры воздуха связано с недостаточной эффективностью экранирования чувствительного элемента датчика малогабаритным (диаметром 40 мм, высотой 80 мм) по условиям обеспечения плавучести буя солнцезащитным экраном со сквозными вентиляционными отверстиями, выполненным из фторопласта, имеющего белую солнцезащитную окраску и обладающего низкой теплопроводностью. Однако, несмотря на высокие теплоизолирующие свойства экрана, нагрев чувствительного элемента датчика в реальных условиях измерений оказывается значительно выше расчетного значения от воздействия прямой солнечной радиации.

Как показывает проведенный анализ, существенную роль в радиационном нагреве играет температура верхней части корпуса буя, поверхность которой расположена на малом, порядка 0,7 м, расстоянии от датчика.

Под воздействием солнечной радиации, при отсутствии ветра верхняя часть корпуса буя подвергается максимальному нагреву, достигающему около 9 градусов С относительно температуры окружающего воздуха, образуя восходящий тепловой поток, вызывающий дополнительный нагрев датчика.

Суммарная радиационная составляющая погрешности измерения температуры воздуха существенно зависит от скорости ветра. При скорости ветра более 3 м/с восходящий тепловой поток воздуха отклоняется ветром и влияние корпуса буя практически полностью отсутствует. При этом остаточная температурная поправка от прямого нагрева солнцезащитного экрана значительно снижается при ветре за счет обдува и составляет не более 0,1 градуса С при скорости 5 м/с.

При постановке задачи по доработке солнцезащитного экрана с целью снижения радиационной погрешности до уровня 0,5 градуса С предполагалось, что достаточно будет изменить конструкцию экрана и применить более эффективные краски. Однако экспериментальные данные показали, что эти меры недостаточны. Новые лакокрасочные покрытия корпуса буя могут снизить его радиационный нагрев на величину не более 30%, т.е. перегрев составит 6 градусов С. При этом восходящий поток воздуха сохраняется и его влияние полностью не исключается, а только позволяет уменьшить величину нагрева также на 30%.

Для повышения эффективности самого экрана требуется увеличить его габариты, доведя их до стандартных размеров, принятых в автоматических метеостанциях - высота 400 мм, диаметр - 250 мм, но такие размеры экрана практически непригодны для дрейфующих буев, поскольку нарушают аэродинамику и гидродинамику и несоизмеримо велики с габаритными размерами корпуса буя. Вынос экрана за габаритные размеры буя с целью исключения воздействия восходящего потока также не представляется возможным из-за нарушений требований, предъявляемых к габаритным требованиям.

В качестве альтернативных вариантов решения задачи, связанной со снижением или исключением радиационной поправки, следует отнести использование ультразвукового датчика температуры измерения воздуха, принципиально не подверженного радиационному влиянию, или введение принудительной аспирации датчика с помощью малогабаритного вентилятора, аналогично реализованному в психрометре Ассмана. Однако эти варианты требуют более значительных энергозатрат и подвержены большей уязвимости к воздействию забрызгивания в условиях волнения и их реализация связана с существенными трудоматериальными затратами.

Кроме того, использование в известном устройстве в качестве датчика атмосферного давления датчика, снабженного баропортом, существенно снижает надежность датчика. Это объясняется тем, что основу конструкции баропорта датчика атмосферного давления составляет капиллярное воздухозаборное устройство, одновременно выполняющее функцию затвора для поступления воды во внутреннюю полость датчика. Проведенные расчеты и результаты натурных испытаний показали, что воздухозаборное устройство, состоящее из 4-х капилляров диаметром 0,2 мм и длиной канала 5 мм в гидрофобной пробке из фторопласта, обеспечивает, с одной стороны, свободное прохождение воздуха, с другой стороны, - препятствует поступлению воды в полость датчика при избыточном гидростатическом давлении до 0,3 атмосфер.

Однако, как свидетельствуют результаты экспериментальной проверки в натурных условиях, данная конструкция баропорта не обеспечивает герметичности воздухозабора при гидродинамическом воздействии, вызванном кратковременным (не более 5 с) погружением датчика в воду либо заливанием его при сильном волнении моря. Подтверждением этого является тот факт, что по истечении 10 суток эксперимента при данных воздействиях внутренняя полость баропорта оказывается частично заполненной водой, что приводит к нарушению нормального функционирования датчика и, как следствие, к полной потере информации об измеряемом атмосферном давлении.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности измерения гидрометеорологических параметров посредством датчиков, установленных на дрейфующих станциях (буях).

Поставленная цель достигается тем, что дрейфующий буй для определения гидрометеорологических параметров, состоящий из корпуса цилиндрической формы, мачты с передающим устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметров ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухозаборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контролера процессов окисления/восстановления, источника питания, корпус которого выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющего кверху конуса под углом 30 градусов, в центре которой герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воздуха, а в нижней части установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженным боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг.1. Дрейфующий буй на поверхности воды.

Фиг.1а. Общий вид.

Фиг.1б. Схема размещения плат внутри буя.

Фиг.1в. Архитектурная форма буя.

Фиг.2. Блок - схема устройства.

Фиг.3. Схема баропорта датчика атмосферного давления.

Дрейфующий буй (фиг.1), размещенный на поверхности воды, состоит из корпуса 1, снабженного стабилизирующим устройством 2, расположенным в его нижней части, что обеспечивает вертикальную устойчивость буя на волнении. Верхняя часть корпуса 3 выполнена в виде расширяющегося кверху конуса 4, что обеспечивает отслеживание профиля морской волны. В верхней части буя располагаются: спутниковая навигационная антенна 5 для связи со спутниковой навигационной системой, измеряющей географические координаты, поверхностное волнение и вектор скорости, а также для передачи измеренных параметров на наземные диспетчерские станции через навигационные спутники системы ГЛОНАСС или GPS.

Конус 4 выполнен под углом 30 градусов и высотой 250 мм, что обеспечивает более точное отслеживание дрейфующим буем профиля волны - ординаты ее возвышения и, кроме того, позволяет гасить высокочастотные колебания буя и, как следствие этого, его заныривание под воду. Верхняя часть корпуса 3 изготовлена из твердого пенопласта, что снижает массу верхней части дрейфующего буя. В центре верхнего основания дрейфующего буя герметично установлена трубка 6, проходящая через пенопластовый корпус. В верхней части трубки 6 на специальной траверсе 7 установлен датчик температуры воздуха 8, а в нижней части установлен датчик температуры воды 9.

Внутри корпуса 1 расположено приборное шасси 10 на котором установлены платы 11 с размещенными на них соответствующими спектрометрами, средствами обработки и документирования полученной посредством датчиков информации.

Архитектурная форма дрейфующего буя определена исходя из требований функционального назначения, заключающегося в возможности более точного определения параметров волнения, в частности высоты и периода волн, а также исходя из требования, заключающегося в надежной передачи по спутниковому радиоканалу измеренной информации при наличии качки.

С этой целью корпус 1 выполнен из армированной пластмассы и металлического основания 12 со стабилизаторами 13, образующими стабилизирующее устройство, которое выполняет двойную роль. С одной стороны оно является твердым балластом и служит для понижения центра масс, а с другой стороны, основание с четырьмя треугольными пластинами является демпфером и препятствует угловой качке. При этом дрейфующий буй состоит из трех частей: основной водоизмещающей, выполненной в виде цилиндра диаметром d_o и общей высотой Н_о; нижней конической части высотой Н_н и диаметром нижнего меньшего основания конуса d_н; верхней конической части высотой Н_в и диаметром верхнего большого основания корпуса d_в. При этом отношения d/H выбраны из условия, чем меньше это отношение, тем меньше присоединенная масса цилиндра, отнесенная к массе вытесненной этим объемом воды, что соответственно составляет следующие соотношения: Н_в=(1,3-1,4)d_o; Н_о=(0,5-0,6)d_o; Н_н=(0,4-0,5)d_o, что позволяет с минимальным искажением отслеживать волну по вертикали и иметь ограниченную угловую качку для надежной радиопередачи информации через связной спутник связи, а также обеспечить запас плавучести порядка 30%, что определяет объем надводной части буя, а также положительную остойчивость. При этом метацентрическая высота буя составляет не менее 5% его осадки.

Определение параметров волнения осуществляется путем получения профиля волнения интегральным методом исходя из данных о вертикальной скорости буя при слежении за ним посредством аппаратуры, установленной на искусственном спутнике Земли, что позволяет исключить из обработки грубые измерения высоты и получать информацию о движении буя лишь по высокоточным данным о скорости. При этом вторичная обработка данных спутникового приемника включает несколько стандартных алгоритмов, включающих рекурентный следящий фильтр с бесконечной импульсной характеристикой и постоянной времени первого порядка астатизма, следящий фильтр второго порядка астатизма, стандартные оценки среднего значения и средней квадратической ошибки, стандартные алгоритмы выделения первичной волны (первой гармоники ряда Фурье). При этом неизвестная фаза первичной волны исключается при вычислении корня квадратного из суммы квадратов, усредненных за 15 минут амплитуд косинусной и синусной составляющих, а направление распространения волн определяются по восточной и северной составляющим вариаций скорости (орбитального движения).

Решение задачи, связанной с введением поправки на влияние солнечной радиации, осуществляется путем определения по результатам прямого измерения температуры верхней части буя. Для этого используется конструкция из двух датчиков - термометров типа Pt-1000. Один из датчиков (термометров) 14 размещается на мачте высотой 0,7 м в малогабаритном защитном экране 15, изготовленном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием. Экран снабжен боковыми отверстиями для вентиляции. Второй термометр 8 устанавливается непосредственно на верхней крышке буя, наиболее подверженной нагреву солнцем. Между двумя термометрами всегда имеется некоторая разность показаний, пропорциональная радиационному нагреву. Между этой разностью и величиной необходимой поправки существует жесткая корреляционная связь, значение коэффициента корреляции которой зависит от скорости ветра. Это обусловлено тем, что при наличии ветра радиационная температура нагрева корпуса буя и датчика снижаются, соответственно в такой же пропорции снижается разность их температур.

В результате, при наличии ветра и постоянном коэффициенте пересчета разности температур в поправку температуры воздуха величина этой поправки снижается и при этом автоматически осуществляется учет скорости ветра без ее измерения.

Подтверждением этого эффекта является рассмотрение двух предельных ситуаций, при которых температура нагрева датчика и корпуса буя практически отсутствуют:

1. При скорости ветра, равной нулю, разность температур между двумя датчиками - максимальная, поскольку один из датчиков открыт, а второй защищен экраном. Соответствующая поправка в этом случае к показаниям температуры воздуха, полученная умножением разности температур на постоянный экспериментально установленный коэффициент корреляции, является максимальной.

2. При скорости ветра более 10 м/с, когда разность температур между двумя датчиками отсутствует, соответствующая радиационная поправка также равна нулю.

Как показывает экспериментальная проверка, другим фактором, влияющим на точность измерения температуры воздуха в условиях эксплуатации буя, является забрызгивание датчика при атмосферных осадках или в условиях сильного волнения моря. В этих условиях поверхность буя и расположенный на ней вспомогательный датчик температуры 8 подвержены более интенсивному смачиванию и испарению воды под действием ветра по сравнению с датчиком измерения температуры воздуха 14, размещаемым на мачте 16 высотой около 0,7 м (соответственно около 1 м от поверхности воды) и защищенном солнцезащитным экраном 15.

В соответствии с их размещением интенсивность охлаждения датчиков будет различной, в результате чего устанавливается относительная разность друг друга, разность температур обратного знака. При этом наблюдается как снижение значений измеренной температуры воздуха в точке установки датчика за счет эффекта психрометра, так и разности температур по отношению к вспомогательному датчику измерения температуры поверхности буя. Величина снижения измеренной температуры воздуха и соответствующая поправка от влияния забрызгивания датчика определяется по разности температур вспомогательным датчиком измерения температуры 8 корпуса буя и использованием коэффициента корреляции, экспериментально определяемого с учетом физической природы их охлаждения.

На мачте 16 также установлен маячок 17, предназначенный для оперативного поиска буя, радиолокационный отражатель 18 и измеритель параметров ветра 19.

Блок-схема (фиг.2) включает модуль управления с опционным блоком GPS 21, блок информационной памяти 22, центральный модуль 23 с контроллером, измеритель высоты волны и ориентации 24 буя, датчик скорости и направления течения 25, датчик определения солености 26, датчик электропроводности 27, датчик определения мутности воды 28, датчик содержания кислорода 29, датчик содержания ионов рН 30, контроллера процессов окисления/восстановления 31, источник питания 32, измерительные датчики температуры воздуха 8, 14, воды 9, измеритель параметров ветра 19, датчик атмосферного давления 20 с баропортом.

Центральный модуль 23 с контроллером (фиг.2) включает встроенный 8-канальный 16-разрядный АЦП типа AD 7715 с внешним входами для подключения датчиков, автономную систему контроля напряжения питания, внутренний температурный датчик на базе кремневого диодного p-n перехода, два компаратора с программируемым опорным напряжением, мультиплексор, последовательный интерфейс стандарта RS-232, три таймера, обеспечивающих измерение частоты относительно опорного кварцевого генератора, и представляет собой процессор с раздельными 14-битной шиной команд и 8-битной шинной данных. Двухступенчатый конвертор позволяет осуществлять выполнение до 35 команд в течение одного машинного цикла. Аналогом является микропроцессор типа PJC 14000.

Центральный модуль 23 осуществляет организацию режима измерения гидрофизических параметров, обработку результатов измерений, формирование сигналов обмена с внешними устройствами и пакета данных в заданном формате, хранение в памяти для последующей передачи по спутниковому каналу связи. Основными функциями, определяющими алгоритм работы, являются последовательное включение энергопитания и опрос выходных сигналов первичных датчиков в соответствии с заданной программой, осреднение результатов измерения по каждому каналу в соответствии с заданными временными интервалами, введение поправок в результаты измерений, учитывающие дрейф нуля АЦП, отклонение характеристик преобразования от исходной, температурную зависимость характеристик датчиков с представлением данных в виде условных кодов, приведение условных кодов измеренных величин к физическим значениям гидрометеорологических параметров в соответствии с алгоритмом обработки данных с установленными градуировочными коэффициентами датчиков, запись и хранение полученных данных в буферной памяти микропроцессора, формирование сообщения установленного формата для передачи в спутниковый канал связи. В состав программного обеспечения входят мощный микроассемблер, внутрисистемный и отладочный эмуляторы, универсальный программатор и компилятор.

Модуль управления 21 с опционным блоком GPS и блок информационной памяти 22 предназначены для приема и передачи информации через антенну 5 на искусственные спутники Земли. Измеритель высоты волн и ориентации 24 буя предназначен для измерения параметров волнения и состоит из контроллера (одно кристальная ЭВМ) и двух фильтров 1-го и 2-го порядков астатизма. При этом выполняется сглаживание по времени на интервале 15 минут горизонтальных составляющих скорости перемещения буя, а также выполняется обработка оценок вертикального движения буя. Оценка вертикального движения буя осуществляется путем совместной обработки текущих значений высоты и вертикальной скорости, вырабатываемых с секундным темпом обновления. Далее восстанавливают профиль волнения путем сглаживания и выполняют оценку среднего значения высоты волн с учетом трех географических координат и трех составляющих скорости перемещения буя (продольная, поперечная и вертикальная), получаемых со спутника. Схемы устройств 21, 22, 23 и 24 и алгоритмы их работы приведены в описании к патенту РФ №2254600.

Аналогами устройств 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 являются аналогичные устройства аналогов и прототипа.

Схема баропорта датчика атмосферного давления 20 (фиг.3) включает разделительную камеру 33, влагопоглотитель 34, гибкую соединительную трубку 35, запираемый канал 36, шаровой клапан 37, воздухозаборник 38. Основу конструкции составляет шаровой клапан 37 в качестве запорного элемента, перекрывающего входное отверстие датчика от поступления воды при кратковременном погружении или захлестовании при волнении. Шаровой клапан выполнен из легкого гидрофобного материала - сферопластика и помещен внутри воздухозаборной трубки, ориентированной входным отверстием вниз. В этом случае шаровой клапан 37 под действием веса занимает нижнее положение и опирается на выступы внутри трубки, оставляя по периметру проходы для доступа воздуха. Внутри воздухозаборной трубки под шаровым клапаном 37 расположен относительно тонкий канал, который полностью перекрывается при его поднятии вверх до упора. Поверхность прилегания клапана точно отформована по сфере такого же диаметра, обеспечивая надежное уплотнение.

При погружении в воду шаровой клапан 37 всплывает, упирается в притертую поверхность ограничителя, тем самым перекрывая входное отверстие малого диаметра. При этом, чем больше наружное давление, в том числе динамическая составляющая, тем плотнее прилегает клапан и обеспечивает более надежную герметичность входного отверстия.

Ход клапана выполнен достаточно малым, порядка 3 мм при диаметре запорного шара 7 мм с таким расчетом, чтобы при воздействии ударной волны шар всплывет прежде, чем вода проникнет во внутрь запираемого канала. Упреждающее движение клапана при таком воздействии обеспечивается тем, что его перемещение осуществляется не только под воздействием гидростатики, но и под действием перепада давления. При этом залипание клапана в верхней позиции исключается соотношением его веса и относительно малой площадью прилегания к фланцу перекрываемого канала.

Экспериментальная проверка буя с входящими в его состав измерительными датчиками и устройствами обработки измеряемых параметров гидрофизических величин показала, что основная погрешность измерительных каналов, в частности атмосферного давления, не превышает 1,0 гПа, температуры воздуха - 0,5 градусов С, температуры воды - 0,1 градус С.

Практическая реализация заявляемого устройства технической трудности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1280321.

2. Авторское свидетельство СССР №1280320.

3. Авторское свидетельство СССР №1712784.

4. Патент РФ №2040780.

5. Патент РФ №2047874.

6. Якорный буй прибрежного мониторинга модели 4280 фирмы AANDERAA Instruments.Проспект компании "Компания ИНФОМАР", сайт: www.infomarcompany.com.

Дрейфующий буй для определения гидрометеорологических параметров, состоящий из корпуса цилиндрической формы, мачты с передающим устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметров ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухозаборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов рН, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, отличающийся тем, что корпус буя выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющегося к верху конуса под углом 30 градусов, в центре которого герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воздуха, а в нижней части установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженным боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри нее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.