Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние и развитие средств измерения гидрологических параметров океана 17
1.1. Общая характеристика гидрологических параметров океана 17
1.2. Анализ современного состояния и перспективы развития средств измерения гидрологических параметров океана 20
1.3. Выводы анализа современного состояния развития средств измерения гидрологических параметров 25
Глава 2. Системотехнические основы построения преци зионных ультразвуковых гидрологических средств измерения 28
2.1. Предлагаемые принципи построения средств измерения гидрологических параметров океана 28
2.2. Сравнительный анализ методов и средств измерения скорости звука 32
Глава 3. Первичный измерительный преобразователь 44
3.1. Особенности работы первичного измеритель ного преобразователя 45
Глава 4. Промежуточный измерительный преобразователь . 86
4.1. Калибровка частотно-временного датчика скорости ультразвуковых колебаний 133
Глава 5. Вторичные информационно-измерительные преобра зователи к частотно-временным ультразвуковым гидрологическим средствам измерения 138
5.1. Аналоговые измерительные преобразователи 139
5.2. Цифровые преобразователи 145
5.2.1. Электронные цифровые счетные устройства 147
5.2.2. Электромеханические цифровые счетные устройства 161
Глава 6. Некоторые примеры построения ультразвуковых средств измерения частотно-временного принципа для научных исследований и промышленного назна чения 169
6.1. Частотно-временной ультразвуковой датчик скорости океанических течений 169
6.2. Магнитный компас с ультразвуковым съемом измерительной информации 175
6.3. Частотно-временные ультразвуковые промышленные датчики расхода, счетчики и дозаторы 178
Выводы и предложения 181
Список литературы 185
- Анализ современного состояния и перспективы развития средств измерения гидрологических параметров океана
- Сравнительный анализ методов и средств измерения скорости звука
- Цифровые преобразователи
- Магнитный компас с ультразвуковым съемом измерительной информации
Введение к работе
Проблема фундаментального и всестороннего исследования и освоения Мирового океана (МО) выдвигает задачу получения оперативной и достоверной измерительной информации (ИИ) о параметрах водной среды и гидрофизических процессов.
Задача получения такой информации в настоящее время весьма актуальна и объясняется необходимостью:
- дальнейшей разработки и совершенствования фундаментальных и прикладных аспектов физики моря и активно взаимодействующей с ним атмосферы;
- изучения океана в качестве одного из основных факторов, формирующих погоду и климат большинства стран нашей планеты;
- планомерного и научно обоснованного освоения огромных пищевых, минеральных и энергетических ресурсов океана;
- проведения оперативного контроля за состоянием мирового океана и разработки методов и технических средств его защиты от загрязнения;
- рациональной организации экономически выгодных и безопасных международных и внутренних путей сообщения;
- оптимального выбора места строительства морских инженерно-технических сооружений;
- решения многих других научно-технических и прикладных вопросов, связанных с океаном.
Важную роль в успешном решении поставленной задачи призваны сыграть гидрологические средства измерения (СГЙ), представляющие собой интенсивно развивающуюся и перспективную ветвь отечественного научного приборостроения, и созданные основе океанологические информационно-измерительные комплексы (ШИК).
За последние годы в практике океанологического приборостроения достигнут определенный прогресс созданы и находятся в стадии разработки отдельные средства измерения с достаточно высокими метрологическими и динамическими характеристиками /1 7/, применение которых уже сегодня позволяет успешно реализовать многие национальные и международные программы исследования океана. Вместе с тем следует отметить, что в сфере разработки и изготовления гидрологических средств измерения пока еще имеется ряд нерешенных задач научного, технического и организационного характера. В частности, выполненный по данным /1 7/ анализ современного состояния и перспектив развития таких средств показывает:
- разрабатываемые и изготавливаемые специализированными предприятиями средства измерения, в основном, ориентированы на решение узкоцелевых задач, определяемых научными и практическими интересами создателей океанологической аппаратуры;
- используемые в практике океанологических исследований средства измерения имеют неоправданно большое количество типов и модификаций, отличающихся принципами измерения, схемотехническими и конструкторско-технологическими решениями, видами выходных сигналов, параметрами напряжения питания и т.д.;
- номенклатура нормируемых метрологических и динамических характеристик гидрологических средств измерения, а также способы их представления, в основном, не соответствуют требованиям действующих нормативно-технических документов (ГОСТ,ОСТ);
- разрабатываемые и находящиеся в эксплуатации гидрологические средства измерениям основном, не обладают информативной, метрологической, энергетической и эксплуатационной совместимостью с изделиями Государственной системы приборов (ГСП);
- в практике океанологических работ все еще применяются средства измерения с индивидуальными, градуировочныии характеристиками.
Именно сложившееся и действующее в сфере разработки и эксплуатации океанологической аппаратуры состояние способствует увеличению парка применяемых гидрологических средств измерения и устройств отображения и обработки результатов измерения, требует привлечения большого количества квалифицированных специалистов для их обслуживания и ремонта, создает сложности в оперативном применении гидрологической информации, полученной разнотипными средствами измерения в отдельных районах мирового океана, затрудняет разработку единых нормативно-технических документов на методы и технические средства поверки последних при выпуске из производства и в процессе эксплуатации и т.д.
Очевидно, что все перечисленное, в конечном итоге, снижает Эффективность и качество проводимых исследований Мирового океана, приводит в большим непроизводительным затратам и препятствует освоению и промышленному выпуску средств измерения, отвечающих современному уровню приборостроения.
Совокупность задач в сфере океанологического приборостроения предлагается решать путем создания унифицированного ряда ультразвуковых (УЗ) гидрологических средств измерения на основе принципиально нового и впервые предложенного в практике океанологических исследований /8 10 / частотно-временного (433) датчика скорости звука (ДС), позволяющего построение средств измерения (СИ) с характеристиками, практически охватывающими диапазон и динамику изменчивости гидрологических параметров (Ш) океана, объединенных единством принципа измерения и отвечающих повременным требованиям измерительной техники, вместо практикуемой в настоящее время разработки гидрологических средств измерения узкоцелевого назначения.
Таким образом, актуальность поставленной задачи и технические и экономические преимущества предлагаемого подхода очевидны.
Поставленная задача выдвигает необходимость разработки физико-технических, научно-исследовательских и конструкторско-технологических принципов построения ультразвуковых частотно-временных гидрологических средств измерения.
В.-2. Общая характеристика работы
В настоящей диссертации обобщены результаты выполненных соискателем теоретических, научно-исследовательских, экспериментальных и опытно-конструкторских работ в сфере создания средств измерения гидрологических параметров океана, расхода, количества и дозирования жидких сред и навигации. Перечисленные работы были выполнены в Институте космических исследований природных ресурсов Академии наук Азербайджанской ССР и в Специальном конструкторском бюро "Нефтехимприбор" шинприбора СССР.
В целом, полученные результаты работ положены в основу принципов построения унифицированного ряда ультразвуковых частотно-временных гидрологических оредств измерения с позиций:
- достижения единства принципа измерения гидрологических параметров;
- обеспечения высоких метрологических и динамических показателей, а также эксплуатационной надежности средств измерения;
- максимальной унификации схемотехнических и конструкторс-ко-технологических решений функциональных измерительных преобразователей (ЙН) и блоков средств измерения на основе принципов агрегатирования Государственной системы приборов;
- разработки нормативно-технической документации на методы и ,технические средства поверки гидрологических средств измерения ,при выпуске их из производства и в процессе эксплуатации;
- создания технических средств поверки и их утверждения органами Госстандарта;
- обеспечения информационной, метрологической, энергетической и эксплуатационной совместимости создаваемых средств измерения с Государственной системой приборов.
Эффективность предлагаемого подхода подтверждена рядом положительных результатов теоретических, научно—исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию средств измерения гидрологических параметров океана, расхода, количества и дозирования жидких сред, а также средств навигации - компасов на основе частотно-временного датчика скорости звука, применяемого в качестве "базового ядра" создаваемых средств измерения.
Внедрение предлагаемых принципов построения гидрологических средетв измерения позволит наиболее полно обеспечить потребности ученых и практиков, занимавшихся вопросами исследования и освоения океана, получить значительный экономический эффект за счет применения унифицированных функциональных измерительных преобразователей и блоков, и улучшения технологичности.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование принципиально нового прецизионного ультразвукового частотно-временного датчика скорости звука в морской воде и создание на его основе унифицированного ряда ультразвуковых средств измерения гидрологических параметров океана и навигации.
Научная новизна. Научная новизна настоящей диссертационной работы состоит в обосновании и реализации теоретических и технических аспектов создания ультразвукового частотно-временного датчика скорости звука в морской воде. При этом получены следующие новые результаты:
- впервые в отечественной и зарубежной практике океанологических работ разработан и исследован ультразвуковой частотно-временной датчик скорости звука, сочетающий высокую точность и чувствительность измерения (диапазон измерения 1400 - 1600 м/с, выходной сигнал - частотный, изменяющийся в указанном диапазоне от 140000 Гц до 160000 Гц, чувствительность 100 Гц/м/с, систематическая погрешность не более + 0,03 %, длина акустической базы-- 0,08 м, "паразитное" время задержки в акустических и электрических преобразователях датчика порядка 4 10 гс);
- предложена структура частотно-временного датчика скорости звука и получены аналитические зависимости, определяющие в структуре информационные и динамические процессы;
- получены соотношения и практические рекомендации для расчета и построения для импульсных ультразвуковых средств измерения "базовой модели" пьезоэлектрического преобразователя, обеспечивающего приемный сигнал, не искаженный акустическими шумами, малой длительности и высокой крутизны и имеющий высокую эксплуатационную надежность и долговечность;
- получены алгоритмы для оценки составляющих погрешности частотно-временного датчика скорости звука с учетом внешних воздействующих факторов и рекомендована минимальная совокупность характеристик измерительных преобразователей и блоков для описания погрешности датчика;
- предложена схема прецизионного измерительного преобразователя частоты в унифи і дарованные сигналы постоянного напряжения и тока (линейность преобразования не хуже + 0,05$)) и предложены принципы построения цифровых преобразователей, исходя из требуемых условий быстродействия, помехозащищенности, сохранения информации при кратковременных (до 10 мин) и длительных (сутки и более) выключениях напряжения питания;
- на основе частотно-временного датчика скорости звука ("базового ядра") разработаны ряд средств измерения и навигации (датчик скорости и направления океанических течений, расходомеры и счетчики жидких сред, магнитный компас и т.д.).
Практическая ценность. Практическая ценность работы заключат, ется в подтверждении результатов теоретических и экспериментальных исследований в создании прецизионного частотно-временного датчика скорости звука в морской воде и разработке на его основе ряда унифицированных средств измерения гидрологических параметров океана, расхода, количества и дозирования жидких сред, а также навигации. Практические результаты, полученные в диссертационной работе используются в настоящее время в ШО Космических исследований (Ж Азербайджанской ССР) для построения гидрометеорологического информационно-измерительного комплекса. При этом частотно-временнной датчик скорости звука используется в качестве "базового ядра", создаваемого унифицированного ряда ультразвуковых средств измерения гидрометеорологических параметров (датчик скорости и направления воздушных течений, датчики температуры морской воды и воздуха, датчик атмосферного давления и датчик относительной влажности приводного слоя атмосферы),
- II а также средств навигации - компасов. Разработанные вторичные информационно-измерительные преобразователи используются в качестве устройств отображения, регистрации и хранения гидрометеорологической информации. Разработаны, прошли Государственные приемочные испытания и серийно выпускаются расходомеры и дозаторы жидких сред типа "Марс-I" и "Марс-3".
Методика выполнения исследований. Методика исследований базируется на основе теорий информационно-измерительной техники, линейной акустики и погрешности с последующей экспериментальной, конструкторской и промышленной проверкой результатов работ.
Приведенные в работе алгоритмы получены путем аналитического исследования и решения частных задач, из которых каждая последующая обобщает предыдущую.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 144 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками и таблицами на 37 страницах и состоит из введения и 6 глав, заключения и списка литературы из 81 наименования.
Анализ современного состояния и перспективы развития средств измерения гидрологических параметров океана
Изучение МО выдвигает необходимость получения массивов достоверной ИИ о различных параметрах водной среды, среди которых важное место занимают температура, скорость и направление течения, скорость звука, соленость.
Основную роль в получении такой информации призваны сыграть океанологические приборы - гидрологические средства измерения.За последние годы в практике океанологического приборостроения, благодаря достижениям современной информационно-измерительной и электронной технике, достигнут значительный прогресс.
Развитие ОТІ на современном этапе идет как по пути создания отдельных автономных СИ, так и по пути объединения последних в ОИИК, позволяющие проводить синхронные измерения ряда ГЛ.
Однако, несмотря на определенные успехи в создании ряда СГИ, отвечающих современному уровню измерительной техники, в настоящее время в практике океанологических исследований широко применяются с незначительными усовершенствованиями механические и электромеханические СШ, имеющие низкие технические показатели.
Вполне естественно, что такие СГИ не в состоянии обеспечить высокую техническую и экономическую эффективность проводимых исследований, хотя бы вследствие того, что количество информации, получаемой с них в единицу времени, ничтожно мало. Применяемые широко полуавтоматические СГИ хотя и позволяют проведение измерений с одновременной регистрацией результатов,но имеют другой существенный недостаток - высокое значение инерционности.
Используемые для изготовления чувствительных элементов (первичных измерительных преобразователей) СГИ материалы в большинстве случаев не обеспечивают высокой эксплуатационной надежности и долговременной стабильности выходных характеристик.
Номенклатура нормируемых метрологических и динамических характеристик СГЙ и способы их представления, в основном, не унифицированы и устанавливаются, как правило, на основе технических характеристик и возможностей парка поверочной аппаратуры, имеющейся в распоряжении создателей СГЙ. При этом способы представления характеристик СЕЙ во многих случаях имеют отклонения от требований действующих нормативно-технических документов.
Вновь создаваемые специализированными научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими преднриятиями отдельные СГЙ направлены, в основном, на решение узкоцелевых научно-производственных задач, предопределенных планами работ, и,как правило, базируются на различных принципах измерения и не охватывают диапазоны изменчивости Ш океана.
В большинстве случаев вновь создаваемые СГЙ, как правило, объединяются в ОЙИК, выполняемые в виде единых и конструктивно законченных устройств и предназначенных для решения конкретного класса задач. Применение таких комплексов для измерения отдельных ГП приводит к снижению эффективности проводимых работ и большим непроизводительным затратам.
Одновременно следует указать, что в развитии СГЙ на современном этапе имеются ряд нерешенных задач, несущих в себе не только научно-технические, но и организационные аспекты, основные из которых следующие:- разработкой, изготовлением и объединением СГЙ в ОИИК,в основном, занимаются специализированные организации, центр тяжести проводимых работ которых, во многих случаях, смещен в сторону создания теоретических моделей изменчивости ЗЛІ океана;- отсутствие утвержденных Госстандартом СССР как единых - -методик по нормированию метрологических, динамических и эксплуатационных показателей СІМ, так и единой номенклатуры поверочной стендовой аппаратуры для градуировки и аттестации последних;- отсутствие необходимого количества опытных специалистов разработчиков СГЙ; - лабая техническая оснащенность предприятий-изготовителей СГЙ.
На основе анализа данных / I - 7 / рассмотрим возможности СГЙ, имеющиеся на вооружении исследователей океана.
Измерители скорости течения. Наибольшее распространение среди СИ океанических течений получили гидродинамические преобразователи - роторы Савониуса, крылатки, винты Архимеда,импеллеры. Принцип действия их основан на зависимости числа оборотов чувствительного элемента в единицу времени от скорости течения.
Основным СИ скорости течения, применявшимся до недавнего времени была буквопечатающая вертушка (БИВ) конструкции Алексеева Ю.К., в которой результаты измерений с помощью механического устройства фиксировались на бумажной ленте, а затем ручным способом переносились на перфоленту для последующей обработки с помощью электронно-вычислительной машины.
Анализ результатов эксплуатации іадродинаминеских преобразователей скорости течения / I / показал, что наилучшими метрологическими характеристиками в реальных условиях воздействия турбулентных и волновых колебаний обладают реверсивные преобразователи. При этом из реверсивных преобразователей наиболее широкое распространение вследствие простоты конструкции получили импеллернне преобразователи.
Порог трогания чувствительного элемента в импеллерных преоб разователях составляет порядка (0,5 - 1,0) см/с, а момент тро-гадая - порядка 10 г-см, относительная основная погрешность преобразования скорости течения в электрический сигнал не превышает + (2,0 - 2,5) % . Шходными сигналами в таких преобразователях являются частотно-импульсный, или в виде постоянного напряжения (тока).
Сравнительный анализ методов и средств измерения скорости звука
В настоящее время известно большое количество контактных методов измерения скорости звука в жидких средах, среди которых наибольшее распространение получил импульсно-циклический, основанный на измерении периода или частоты следования импульсов в электроакустическом кольце и преимущественно применяемый для измерения скорости звука в морской воде. Простейший импульсно-циклический датчик /4/ содержит последовательно включенные по кольцу формирователь приемного сигнала - генератор возбуждающих импульсов - электропьезопреоб-разователь (излучатель УЗК) - акустический канал (ультразвуковая линия задержки) - пьезоэлектропреобразователь (приемник УЗК) -формирователь приемного сигнала и т.д., образующие электроакустическое "синхрокольцо". При импульсноциклическом методе измерения информативным параметром выходного сигнала является частота электрических импульсов, циркулирующих в "синхрокольце" в единицу времени. -При этом значение частоты f ц импульсов в "сшхрокольце" пропорционально величине скорости звука в морской воде: где Т - период следования импульсов в "синхрокольце", с ; і - длина акустической базы ШШ, м ; С - скорость распространения УЗК в объекте контроля,м/с; Ьп" толщина защитного протектора пьезоэлектро (электро-пьезфіреобразователя, м ; Сп - скорость распространения УЗК в материале протектора,м/с; Тк - время задержки УЗК в активных элементах пьезоэлектро-(электропьезо) преобразователях, с ; Тз время задержки электрического сигнала в электронных функциональных блоках импульсно-циклического датчика, с. Данная формула может быть упрощена и приведена к виду Из формулы (2.2) может быть выведена формула, определяющая значение скорости звука в среде: Отметим, что наличие "паразитной" временной задержки приводит к погрешности - нелинейности выходной характеристики датчика, вследствие заниженного значения частоты fu , по срав-нению с ее расчетным значением fu,p =. -= - -При этом значение относительной основной погрешности такого датчика по выходному сигналу может быть определено по известной формуле: Знак "минус" указывает, что значение частоты -Ро, в "синхрокольце" всегда меньше расчетного, T.e.f4 f p ,ввиду наличия "паразитной" задержки Тпз- Как следует из данной фор мулы, значение основной погрешности датчика уменьшается с уве личением базового расстояния L Одновременно значение основ ной погрешности возрастает при увеличении скорости звука, при этом знак погрешности не изменяется. Данное обстоятельство дает возможность нормировать основную погрешность в виде пределов допускаемых значений относительной основной погрешности. Такое нормирование возможно при установлении выходной частоты датчика в средней точке „ диапазона измерения, равной расчетному путем изменения длины і . При этом частота следования импульсов в "оинхрокольце" и скорость распространения УЗК будут определяться 2.8 Из формулы (2.7) может быть определено необходимое значение длины базового расстояния L ,исходя из заданных значений - частоты выходных импульсов и максимального значения скорости звука. - — Стах -» этом значения относительной основной погрешности датчика по входному и выходному сигналам могут быть соответственно представлены в виде: гдеСэеи Cf - действительное и расчетное значения скорости звука, м/с. С помощью последней формулы может быть установлено значение минимально допустимого расстояния L , исходя из требуемого значения C f и известного значения лз. Как следует из формул (2.7 и 2.12), требования получения высокой частоты импульсов в "синхрокольце" с целью достижения высокой чувствительности и точности носят противоречивый характер, т.к. достижение высокой чувствительности может быть обеспечено уменьшением длины L , т.е. ухудшением основной погрешности. Пользуясь формулами (2.II - 2.12) на примере Стах 1600 м/с, Стіп. = 1400 м/с, f = 160000 Гц и Тпз» = 0,5 -Ю с, определим необходимое значение базового расстояния и соответствующее ему значение относительной основной погрешности fu, . После расчета получим, что L - 9,9 мм, а f =±1Д %. Полученные значения указывают на практическую сложность построения датчика скорости звука иипульсно-циклического действия с высокими показателями чувствительности (S I см/с) и основной погрешности (не хуже ± 0,05 %). Указанное также подтверждается сравнительными характеристиками датчиков импуль-сно-циклического действия, приведенными в работе / 17 / и применяемыми в последние годы в отечественной и зарубежной практике измерения скорости звука. Согласно приводимым данным максимальным значением частоты (16000 Гц) импульсов при скорости распространения УЗК 1600 м/с обладает датчик типа M-403I (США). Следует также указать, что в настоящее время для повышения точности измерения скорости звука датчиками импульсно-цикли-ческого действия широко применяются калибровочные таблицы /4/, составленные по результатам калибровки датчиков и ПОЗВОЛЯЮЩЕЙ: учитывать систематические погрешности последних путем введения поправок. Однако, применение указанного метода не позволяет получение оперативной и достоверной информации и требует затрат времени. Рассмотренные погрешности являются методическими и не учитывают составляющей, вызванной наличием гидроакустических помех, рециркулирующих в акустическом канале и возникающих вследствие многократных отражений УЗК от границ разделов отдельных элементов ШШ. Такие помехи, налагаясь на приемный сигнал, искажают его форму и, в конечном итоге, приводят к возникновению шумовой составляющей основной погрешности. Наличие таких эхо-сигналов не позволяет строить датчики импульсно-цикли-ческого действия с малыми базовыми расстояниями с целью достижения высокой чувствительности измерения. Рассмотрим более подробно воздействие акустических шумов на точностные характеристики импульсных датчиков скорости звука, учитывая, что данный вопрос недостаточно освещен в литературе. В датчиках импульсно-циклического принципа приемный сигнал S[t) = Um cob24jtfot взаимодействует с отраженными эхо-сигналами (собственные шумы датчика) ty(t)-Limit)cos[fflf9t + Ущ.(6)]t рециркулирующими в акустическом канале. При этом амплитуда і)щ. и фазаf шумов изменяются случайным образом, а частота равна частоте приемного сигнала.
В результате указанного взаимодействия происходит искажение приемного сигнала - случайные изменения его амплитуды и фазы, приводящее к изменению положения приемного сигнала на временной оси и, следовательно, к возникновению дополнительной составляющей погрешности измерения скорости звука.
Рассмотрим влияние искаженного сигнала на работоспособность датчика скорости на основании методов оценки воздействия помех на сигналы измерительной информации /18-23 /.
Будем считать, что в отсутствие шума передний фронт первой полуволны приемного сигнала S (t) поступающего на вход порогового устройства датчика, занимает на оси времени положение, обозначенное на рис. (2.1.) сплошной линией и имеет амплитуду ІІщ , длительность переднего фронта Тр и крутизну Snc Um / р . Отсчет времени Т прохождения базового расстояния производится от момента подачи импульса ударного возбуждения на излучатель до момента t0 , соответствующего пересечению переднего фронта приемного сигнала с линией ограничения (АБ), задающей уровень Uo » срабатывания порогового устройства.
Цифровые преобразователи
Цифровые преобразователи разрабатывались в качестве средств отображения информации о значении гидрологического параметра в цифровом виде. Входным сигналом таких преобразователей является число-импульсный сигнал, а выходным - визуальная информация в виде цифровых символов, отсчитываемых на лицевой панели преобразователя в разрядах десятичного числа, или кодовый сигнал, предназначенный для подачи на вход вычислительной машины.
При этом разрабатывались и исследовались цифровые преобразователи следующего функционального назначения:- преобразователи визуальной информации в цифровом виде; - преобразователи, обеспечивающие хранение информации и её визуальные представления в цифровом виде по запросу оператора;- преобразователи для выдачи информации в виде параллельного или последовательного двоично-десятичного кода.
Преобразователи с визуальным представлением информации состоят из: масштабного блока и цифрового счетного устройства
Масштабный блок строился на основе счетчика числа импульсов с переменным коэффициентом деления, обеспечивающим приведение каждого импульса, подаваемого на вход ЦСУ, к требуемой цене деления.Устройство ЦСУ обеспечивает счет числа импульсов и их индикацию.
Принимая во внимание, что принципы построения ЦСУ для СГИ имеют ряд специфических особенностей, вызванных условиями эксплуатации (аварийные длительные и кратковременные выключения напряжения питания, питание как от сети переменного тока, так и от аккумуляторных батарей, работа в помещениях, имеющих различную освещенность и т.д.) слабо освещены в современной литературе, рассмотрим более подробно некоторые вопросы построения ЦСУ, которые могут быть представлены в виде функционально и конструктивно законченных блоков. При этом отметим, что в зависимости от используемой при построении ЦСУ элементной базы -интегральные цифровые микросхемы (ИЦМ), дискретные полупроводниковые приборы и оптические цифровые индикаторы (ЦИ) или механические, оптико-механические и электромеханические ЦИ с приводом от электромагнитных механизмов и шаговых двигателей, применяемые в настоящее время в океанологических исследованиях, ЦСУ можно разделить на электронные и электромеханические.
Электронные ЦСУ обеспечивают высокое качество воспроизведения визуальной информации (яркость и четкость цифр) при большой внешней освещенности, большой угол зрения и высокую скорость счета информационных сигналов. К недостаткам электронных ЦСУ следует отнести потребление мощности в статическом режиме, а также необходимость принятия специальных защитных мер для сохранения измерительной информации при провалах и аварийных выключениях питающей сети.
Электромеханические ЦСУ обеспечивают хранение информации при кратковременных и длительных выключениях напряжения питания и имеют низкую стоимость. К недостаткам электромеханических ЦСУ следует отнести малый срок службы, вследствие механического износа подвижных деталей, низкую частоту счета информационных сигналов, а также неудобство съема показаний в слабо освещенных помещениях.
Электронные ЦСУ, как правило, содержат в качестве узла счета и хранения информации двоично-десятичные счетчики (Сч), в качестве узла преобразования и связи с ЦИ - дешифратора (ДШ) с ключевыми элементами и в качестве узла воспроизведения информации - оптические ЦИ /66 - 67/.
По результатам сравнения и анализа наиболее распространенных в настоящее время ЙІЩ и оптических Щ, были разработаны рекомендации по сопряжениям последних с целью построения ЦСУ для СГЙ, исходя из требуемых условий эксплуатации У, 68./.
В табл. /5.1. - 5.4./ приведены основные электрические параметры ИЩ и оптических индикаторов, рекомендуемых соответственно в качестве Сч и ЦИ, а в табл.5.5. приведены соответствующие типы ИЩ, рекомендуемые для сочленения Сч с ДШ и ДШ с ЦИ при построении ЦСУ для СГИ.
С учетом приведенных рекомендаций рассмотрим некоторые практические вопросы построения ЦСУ для различных по функциональному назначению цифровых преобразователей.Быстродействующие ЦСУ, нормально функционирующие и сохраняющие записанную информацию только при наличии напряжения питания, наиболее просто выполнимы на интегральных ТТЛ-схемах (КІЗЗ ИЕ2, KMI55 ИЕ2 и КІЗЗ ЙДІ) и газоразрядных ЦИ типа ИН. Однако, при этом следует иметь в виду, что ЦСУ, построенные на ТТЛ-схемах, обладают, без принятия специальных защитных мер, высокой вероятностью сбоев в работе, из-за низкой помехоустойчивости последних.
При необходимости построения ЦСУ с невысоким быстродействием (до I мГц) и предназначенных для работы в условиях с высоким уровняем электромагнитных помех целесообразно применение в качестве Сч и ДТП интегральных схем ДТЛ и газоразрядных ЦИ типа ИН или интегральных МОП-схем и люминесцентных ЦИ. При этом необходимо учитывать, что недостатком ЦСУ на газоразрядных ЦИ является необходимость применения высоковольтного (200 - 250)В источника напряжения, что затрудняет применение таких ЦСУ в СГИ с питанием от аккумуляторных батарей.
Устранение указанного недостатка может быть достигнуто применением в качестве ЦИ низковольтных катодо-люминесцентных, светодиодных или накальных индикаторов, легко сочленяющихся с ТТЛ и ДТЛ-схемами (см.табл.5.5.). При этом последний тип ЦИ отличается большим углом обзора, высокой яркостью и четкостью свечения цифр даже при сильном внешнем освещении, но имеет сравнительно высокое значение потребляемой мощности (0,4 Вт).
При построении ЦСУ для цифровых преобразователей, обеспечивающих визуальную выдачу измерительной информации при длительном во времени осреднении, возникает необходимость сохранения инфор - 155 мации при кратковременных и длительных аварийных выключениях напряжения питания. Выполнение данного требования возможно в случае применения специализированных ЦСУ, имеющих элементы памяти, обеспечивающие нормальное функционирование последних и сохранение записанной информации при исчезновениях напряжения питания.
Для кратковременного сохранения записанной информации в ЦСУ, построенных на ТТЛ и ДТЛ-схемах, в качестве элементов памяти возможно применение электролитических конденсаторов большой емкости, например, типа K-50-I8, К-50-24, включенных в цепь питания Сч. При этом, как показали исследования таких схем, необходимая емкость конденсаторов на каждый корпус ШЩ для сохранения информации до 3-х секунд должна составлять порядка 2000-2500 мкФ.Для ЦСУ аналогичного назначения, построенных на МОП-схемах, емкость конденсатора, подключенного к шине питания Сч, может быть уменьшена в 2-3 раза по сравнению с ЦСУ, выполненными на ТТЛ и ДТЛ-схемах.
Магнитный компас с ультразвуковым съемом измерительной информации
Для определения направления океанических течений относительно магнитного меридиана Земли был разработан компас с УЗ съемом информации на основе ЧВ датчика скорости звука /75/.
Чувствительный элемент (картушка) такого компаса (рис.6.2) выполнен в виде сбалансированного профилированного диска (I) с встроенными постоянными магнитами (2) и установлен во внутренней полости герметичного немагнитного корпуса (3), заполненного демпфирующей жидкостью (4), имеющей температурный коэффициент скорости распространения УЗК, практически равный нулю.
Источником (приемником) УЗК является ПЭП, жестко установленный в боковой части корпуса (3) таким образом, что торцевая плоскость диска (I) является отражателем УЗК, излучаемых ПЭП. При повороте диска (I) относительно ПЭП, изменяется расстояние от торца диска (I) до излучающей поверхности ПЭП (5) и,следовательно, изменяется длительность временного интервала зондирования, отсчитываемого от момента излучения до момента приема УЗК.
С целью практического исключения влияния на выходной сигнал Ш температурных изменений линейных размеров диска (I) и корпуса (3),последние были изготовлены из одинакового материала - титанового сплава.Длительность периода импульсов на выходе делителя СД, входящего в состав БРИЛ, будет равна:Умножитель периода УП осуществляет умножение длительности периода Тед в гп раз. При этом длительность периода Ті на выходу умножителя УП будет определяться:
Длительность Т3 можно представить в видегде 1зи и УН _ соответственно длительности информативной и неинформативной составляющих длительности и.с
Выделение информативной составляющей Таи длительности временного интервала,пропорционального углу поворота картушки производится в устройстве вычитания длительности (УВД) импульсов. При этом импульс длительностью Тин вырабатывается ждущим мульти - -вибратором, имеющим стабильную длительность сформированного импульса /65/ блока автоматики (ЕА) синхронно с передним фронтом импульса с периодом Та .
Сигналом ИИ является число-импульсный код, образуемый на выходе ключа КЛ, после заполнения разностной длительности,равной Таи , импульсами от генератора опорной частоты (ГОЧ). Индикация утла поворота производится на информационном табло Щ.
Как показали исследования, абсолютная основная погрешность описанного компаса составляет порядка + 1,0 %.Описанный магнитный компас, благодаря ультразвуковому методу съема информации, позволяет по сравнению с известными типами компасов /1.1./ обеспечить:- более высокую точность и чувствительность за счет исключения реакции элементов съема сигнала на чувствительный элемент;- более высокое быстродействие за счет практически непрерывного съема сигнала;- более высокую надежность и помехозащищенность.
В настоящее время СИ расхода и количества различных сред широко применяются при автоматическом регулировании различных технологических процессов, при коммерческих операциях, определении производительности и кпд энергетических установок и т.д.
Среди СИ расхода и количества (объемные, тахометрические, вихревые, электромагнитные и т.д.) ультразвуковые средства отличаются высокой точностью и чувствительностью, способностью работать в тяжелых условиях климатических и механических воздействий и т.д.Разработанные для промышленных условий ультразвуковые частотно-временные датчики расхода (Марс-1) и счетчики-дозаторы количества (Марс-3)имели следующие типономиналы: Марс-1-32-6,3-10; Марс-1-100-100-Ю; Марс-І-І25-І60-І0; Марс-3-100-100-Ю; Марс-З-125-ЮО-Ю, где следующие за цифрой "I" указывают на диаметр условного прохода (мм) первичного преобразователя,состоящего из измерительного участка трубопровода с двумя вмонтированными ПЭШ и ПЭП2, максимальное значение расхода (М3/ч) среды через первичный преобразователь и максимальное давление (МПа) среды.Датчики расхода типа Марс-1 предназначены для преобразования расхода среды (морская вода, дистиллят, бидистиллят,нефтепродукты) в трубопроводе в унифицированный сигнал постоянного напряжения (0 - 5 В) или тока (0-5 мА).
Принцип работы датчика расхода практически аналогичен принципу работы описанного выше измерителя скорости течения. Мерой расхода является значение разностной частоты двух генераторов, периоды которых устанавливаются дольными от времени распространения УЗК по и против движения потока среды в ПИП, вмонтированыи в трудопровод. Преобразование разностной частоты в унифицированные сигналы производятся измерительным преобразователем "частота-напряжение" (ток), описанным выше. Счетчики и дозаторы типа Марс-3 предназначены для измерения количества среды, отсчитываемого на информационном табло ЦСУ или дозирования среды. Управление процессом дозирования сред производится командным прибором-задатчиком дозы /78/, выполняющим следующие функции: - дискретную установку оператором необходимого (дозируемого) количества среды; - выдачу релейного сигнала по команде оператора на клапан отсекатель для открытия трубопровода; - автоматическую выдачу релейного сигнала на клапан-отсека-тель для закрытия трубопровода по окончании заданной дозы; - визуальный отсчет количества среды на информационном табло. Поверка датчиков расхода при кратности Кр -- mQt. = 20 G/тігь и счетчиков и дозаторов при Кр = 5 (где 0т«и Сшо, - соответственно максимальное и минимальное значения расхода через ПШ) показала, что основная погрешность указанных средств измерения не превышает + 1,0 %, дополнительная погрешность от изменения температуры среды на каждые ЮС от нормальной (20С) до плюс 5 и плюс 90 не превышает + 0,15 %, время установления выходного сигнала датчика расхода не превышает 0,5 с. В настоящее время датчики расхода Марс-1 и счетчики и дозаторы Марс-3 серийно выпускаются Опытным заводом СКБ "Нефтехимприбор" (г.Баку?. 1. В практике океанологических исследований для измерения скорости распространения УЗК в морской воде предложен прецизион ный датчик скорости, построенный на частотно-временном принципе, обеспечивающий высокую точность и чувствительность измерения за счет исключения воздействия акустических шумов на приемный сиг нал, оптимального выбора длины акустической базы и умножения частоты выходного сигнала измерительной информации. Разработаны некоторые вопросы теории работы ультразвукового частотно-временного датчика скорости распространения звука. 2. Произведен сравнительный аналитический обзор известных методов и средств измерения гидрологических параметров МО и обоснована необходимость разработки ультразвуковых СГИ, объеди ненных единством принципа измерения на основе унифицированного "базового ядра".
