Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Создание средств автоматизации научных исследований в океане. Организация работ 18
1. Автоматизация экспериментальных исследований в океане 18
2. Унификация, агрегатирование, модульный принцип построения измерительных систем 31
3. Метрологическое обеспечение проектирования и изготовления океанографических измерительных комплексов 35
Глава 2. Проектирование первичных измерительных преобразователей океанографических средств измерений 40
1. Структура, взаимосвязь элементов и особенности проектирования первичных измерительных преобразователей 40
2. Принцип построения параметрического ряда океано графических измерительных преобразователей темпе ратуры 52
3. Первичные измерительные преобразователи электрической проводимости І00
4. Первичные измерительные преобразователи скорости течения 128
5. Первичные измерительные преобразователи направления 149
Глава 3. Проектирование аналого-цифровых преобразователей 173
1. Информационные характеристики процесса измерения 173
2. Методы аналого-цифрового преобразования 180
3. Параметрический ряд унифицированных аналого-цифровых преобразователей 223
Глава 4. Проектирование бортовых блоков измерительных систем 241
1. Построение бортовых управляющих устройств измерительных систем 24J
2. Проектирование процессора. Микро-ЭШ 244
3. Проектирование запоминающих устройств 265
4. Программное обеспечение работы бортовых блоков .279
5. Отладочные средства модулей бортового устройства .292
Глава 5. Проектирование погружаемых устройств 298
1. Компоновка погружаемых устройств 298
2. Проектирование основного элемента прочного корпуса 306
3. Герметичные вводы и соединители 330
4. Узлы герметизации (уплотнения) 345
5. Иллюминаторы 353
Глава 6. Модульные информационно-измерительные системы в автоматизации океанографических исследований .357
1. Результаты проектирования океанографических изме рительных комплексов 357
2. Зондирующие информационно-измерительные комплексы 36/
3. Автономные измерительные комплексы 382
4. Буксируемые и специальные измерительные комплексы 393
Заключение 397
Литература 402
- Унификация, агрегатирование, модульный принцип построения измерительных систем
- Принцип построения параметрического ряда океано графических измерительных преобразователей темпе ратуры
- Параметрический ряд унифицированных аналого-цифровых преобразователей
- Буксируемые и специальные измерительные комплексы
Введение к работе
Мировой океан, таящий в своих недрах огромные запасы пищевых и минеральных ресурсов, становится в настоящее время сферой хозяйственной деятельности человека. Более 15% животных белков, употребляемых в пищу населением планеты, добывается в океанах и морях. Более 30% мировой добычи нефти ведется в прибрежных зонах океана, кроме того, освоена промышленная добыча газа и некоторых редких полезных ископаемых.
Океан является главной транспортной артерией планеты, он в существенной степени определяет погоду Земли за счёт аккумулирования значительных запасов тепловой и механической энергии. Интересы народного хозяйства требуют интенсивного развития сырьевой и энергетической базы, и изучение Мирового океана как наиболее перспективного источника, становится первоочередной задачей.
Основным направлением фундаментальных исследований Мирового океана является создание термогидродинамической модели и модели взаимодействия океана и атмосферы с учётом влияния материков. Разработка этих моделей позволит описать динамические процессы в океане во всем диапазоне их изменчивости от систем океанических течений до мелкомасштабных явлений, а также создать методы долгосрочных прогнозов погоды и развить теорию климата [28,95,96,101].
Экспериментальные исследования океана, выполненные в последние годы привели к пониманию того, что океан существенно изменчив. Его изменчивость проявляется на масштабах от миллиметров до размеров океана, от долей секунд до многих месяцев и лет, она приводит к изменениям переноса тепла интенвичными течениями типа Гольфстрим, положений осей течений и фронтальных зон, образованию рингов и генерации океанических вихрей. Открытие вихрей как основной формы проявления синоптической изменчивости океана изменило представление о характере гидрофизических процессов, протекающих в его глубинах. Большие орбитальные скорости (десятки сантиметров в секунду) и вертикальные размеры, соизмеримые с глубиной океана, влияют на механизм перераспределения тепловой и механической энергии в планетарных масштабах. Новые знания оказали значительное воздействие на все разделы фундаментальной и прикладной океанологии и показали, что дальнейшее развитие экспериментальных исследований возможно только при существенном увеличении объёма измерений гидрофизических параметров во всем диапазоне пространственных и временных масштабов их изменчивости.
Актуальность темы диссертации
Решение экспериментальных задач океанографии требует создания специального качественно нового оснащения для сбора экспериментальных материалов. Этот же вывод достаточно убедительно подтверждается при анализе общесоюзных программ современной океанографии.
Исследование взаимодействия океана и атмосферы в целях разработки долгосрочного прогноза погоды и теории климата (Программа "Разрезы"). Решение этой программы требует получения информации со всей акватории Мирового океана по верхнему деятельному 500-метровому слою, что в ближайшее время, по-видимому, не представляется возможным. Академиком Г.И.Марчуком выдвинута концепция энергоактивных зон океана, т.е. районов, отличающихся значительно большей активностью процессов обмена энергией с атмосферой и наибольшей адвекцией тепла океаническими течениями. Экспериментальные исследования в энергоактивных зонах предусматривают изучение климатообразующих процессов крупномасштабного взаимодействия атмосферы Мирового океана и континентов, формирующих нормальный годовой ход климата, а также временной изменчивости основных характеристик океана и атмосферы путём количественного определения всех компонентов теплового баланса. Для получения необходимой информации требуется значительное количество информационно-измерительных систем, позволяющих контролировать скорости и направления течений, изменчивость температурного поля океана, параметры приводного слоя атмосферы в широком диапазоне пространственно-временных масштабов их изменчивости, т.е. решение этой проблемы требует существенного увеличения измерений физических параметров океана и атмосферы.
Спутниковый мониторинг климата океана. Создание системы контроля за состоянием океана в глобальных масштабах наиболее целесообразно в настоящее время проводить путём измерения характеристик океана с искуственных спутников Земли. Этот метод особенно эффективен для измерения характеристик крупномасштабной изменчивости, так как при этом требуется от аппаратуры дистанционного зондирования сверхвысокое пространственное разрешение, и объёмы получаемой информации оказываются соответствующими возможностям вычислительной техники. Однако спутниковые системы нуждаются в постоянной калибровке по информации, полученной при измерении параметров среды контактными методами. Для этой цели создаются контрольно-калибровочные полигоны и организуются систематические наблюдения в различных районах Мирового океана с использованием судов. Отсюда следует вывод, что проведение исследований океана с использованием спутниковых измерений требует существенного увеличения экспериментальных данных, полученных контактными способами [101].
К аналогичному выводу приходим при анализе проекта "Волна". Для решения экспериментальных задач этого проекта требуется регистрация измеряемых параметров в диапазоне от единиц секунд до месяцев и лет по времени и от сантиметров до тысяч километров по пространству. При этом методы и средства, необходимые для обеспечения экспериментальных работ, весьма разнообразны [180].
Таким образом, анализ наиболее актуальных задач современной океанографии, нашедших свое отражение в национальных и общесоюзных программах, показывает, что, во-первых, необходимо существенное увеличение парка измерительных приборов при довольно широкой номенклатуре.
Вторым аспектом, подтверждающим актуальность темы диссертации, является то, что имеющаяся океанографическая аппаратура разработана и изготовлена в единичных экземплярах, не прошла государственных испытаний, создана на разнародной элементной базе, техническая документация разрабатывалась в различных организациях для своего Опытного производства. Для организации её серийного выпуска необходимо ещё раз перерабатывать всю техническую документацию, что с учётом перевода на современную элементную базу практически равняется новой разработке. Следовательно, целесообразно разрабатывать океанографическую аппаратуру, предусматривающую возможность её комплектования в информационно-измерительные системы на единой элементной базе с высоким коэффициентом унификации узлов, блоков, измерительных каналов.
Создание океанографических информационно-измерительных систем: зондов гидрологических, буксируемых и автономных комплексов предусмотрено планами Государственного комитета СССР (постановление ГКНТ СССР, Госплана СССР, Президиума АН СССР от 26.12.80 г. № 475/25I/I3I). Это является третьим аспектом, подтверждающим актуальность темы диссертации.
Цель работы
Цель данной диссертационной работы - разработка основных принципов проектирования и производства модульных информационно измерительных систем гидрофизических параметров для комплексной автоматизации экспериментальных исследований в океане.
Основные научные задачи
На основании анализа основных направлений фундаментальных исследований океана и актуальных экспериментальных задач определить наиболее информативные параметры исследуемых процессов, диапазоны их изменчивости и сформулировать основные технические требования к необходимым для сбора информации измерительным системам.
Разработать основные принципы построения информационно-измерительных комплексов океанологических параметров.
Создать базовую структурную схему информационно-измерительного комплекса океанографических параметров.
Исследовать методы преобразования измеряемых параметров в электрический сигнал, методы их аналого-цифрового преобразования и по результатам этих исследований спроектировать измерительные каналы отдельных информативных параметров.
Создать конструкции погружаемых глубоководных койтейне-ров измерительных приборов и комплектующих их узлов.
Создать на основе встроенной микро-ЭВМ унифицированные бортовые управляющие устройства информационно-измерительной системы, предусматривающие приём, первичную обработку, документирование информации и управление работой измерительного комплекса по заданному алгоритму.
7. Организовать внедрение результатов диссертационной работы в производство с целью обеспечения исследователей качественно новым техническим оснащением.
Основные результаты работ
В результате выполнения диссертационной работы решена важная научная и народнохозяйственная задача по созданию специального качественно нового технического оснащения экспериментальных исследований в океане.
Разработаны основные принципы проектирования модульных информационно-измерительных систем.
Создана базовая структурная схема, обеспечивающая высокую степень унификации узлов, блоков, измерительных каналов и бортовых устройств.
Созданы параметрические ряды отдельных модулей, из которых комплектуются информационно-измерительные системы, позволяющие обеспечить сбор и обработку экспериментальных материалов для решения фундаментальных и прикладных задач современной океанографии.
Параметрический ряд первичных измерительных преобразователей температуры построен на основе медного термометра сопротивления, включает в себя семь видов датчиков, снабженных унифицированными электрическими разъёмами, присоединительными узлами и другими элементами защитной арматуры.
Параметрический ряд преобразователей электрической проводимости базируется на бесконтактном трансформаторе методе и имеет две базовые модификации: для измерений средних значений электропроводности и высокочастотных флуктуации исследуемой среды.
Параметрический ряд первичных измерительных преобразователей скорости включает в себя импеллеры, акустические однобазовые и многобазовые преобразователи, магнитогидродинамические преобразователи на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов.
Параметрический ряд первичных измерительных преобразователей направления базируется на потенциометрическом резистивном, потенциометрическом жидкостном и гальваномагнитном преобразователях.
Параметрический ряд аналого-цифровых преобразователей для всех видов измерителей состоит из преобразователей "период-код", "частота-код", интегрирующий, подразрядного уравновешивания, следящий.
Бортовые унифицированные блоки созданы на основе встраиваемых микро-ЭЕМ, выпуск которых освоен отечественной промышленностью. Они позволяют компановать информационно-измерительные системы, отличающиеся функциональной гибкостью и высоким уровнем унификации.
Однотипные бортовые блоки с использованием перепрограммирования применяются в различных измерительных системах и позволяют объединять отдельные измерители в общую систему сбора и обработки данных.
Механические узлы погружаемых и бортовых устройств унифицированы. При разработке принципов проектирования погружаемых устройств, кабельных вводов, разъёмных соединителей, посадочных мест датчиков и шасси, в которых располагаются платы электронных схем, вопросам экономии материалов, механизации процессов обработки, сборки и регулировки уделялось максимальное внимание.
В процессе выполнения диссертационной работы все этапы проектирования и изготовления аппаратуры регламентированы созданными стандартами предприятия, входящими в Комплексную систему управления качеством продукции. Проектирование и производство мо- дульных измерительных систем внедрено в Морском гидрофизическом институте. Стоимость разработки и изготовления принципов проектирования модульных систем снижена за счёт использования унифицированных узлов, блоков и измерительных каналов на 50$.
Научные выводы и их новизна
Разработка основных принципов проектирования и производства модульных информационно-измерительных систем океанографических параметров создала реальные условия для расширения фронта экспериментальных исследований в океане с целью создания его термогидродинамической модели и модели взаимодействия океана и атмосферы с учётом влияния материков.
Создана базовая структурная схема для построения на её основе модульных измерительных комплексов океанографических параметров. Изложенные в диссертации принципы внедрены в практику проектирования океанографических комплексов. Все вопросы организации работ в этом направлении регламентированы соответствующими стандартами предприятия, входящими в общую систему управления качеством продукции.
Новизна работ подтверждается авторским свидетельством на изобретение, полученным автором на базовую структурную схему.
Унифицированные первичные измерительные преобразователи температуры, электропроводности, направления, скорости потока прошли аттестацию в институте Госстандарта отдельно и в составе измерительных комплексов при проведении государственных испытаний. По первичным измерительным преобразователям температуры автор имеет свидетельство на изобретение. При разработке датчиков электропроводности и направления использованы изобретения ВНИИМ им. Менделеева и МГИ АН УССР. По материалам изобретений разработаны конструкции первичных измерительных преоб- разователей. Аналого-цифровые преобразователи также аттестованы при государственных испытаниях измерительных комплексов. Два типа аналого-цифровых преобразователей защищены автором свидетельствами на изобретения. Использование в составе бортовых управляющих блоков встроенных микро-ЭШ, позволяющих программным путём менять их функциональные возможности, также является новым направлением в океанографическом приборостроении. Эта часть работ защищена автором свидетельством на изобретение базовой структурной схемы комплекса.
Все принципы проектирования океанографических измерительных комплексов, изложенные в диссертации, внедрены в производство.
Практическая значимость работы
В результате выполнения диссертационной работы создан принципиально новый подход к проектированию океанографических измерительных комплексов. Разработанные измерительные средства по своим техническим возможностям позволяют решить задачу сбора и первичной обработки экспериментальных материалов для построения термогидродинамической модели океана и модели взаимодействия океана и атмосферы с учётом влияния материков.
Созданы гибкие, легко меняющие свой состав и технические возможности информационно-измерительные системы.
Сокращены сроки разработки и изготовления измерительных комплексов.
Повышено качество и надежность изготавливаемой аппаратуры. Трудоёмкость её разработки и производства снижена на 50%. Весь цикл работ проектирования, изготовления и метрологической аттестации измерительных комплексов регламентирован специально созданными стандартами предприятия и в полном объёме внедрен в производство.
Личный вклад автора
Материалы диссертации представляют собой результат многолетней работы автора в области автоматизации гидрофизических исследований.
Автором сформулированы основные технические требования к информационно-измерительным системам, позволяющим обеспечить сбор и обработку экспериментальных данных для создания термогидродинамической модели океана и модели взаимодействия атмосферы и океана с учётом материков.
Автором разработаны основные принципы построения информационно-измерительных систем океанографических параметров модульной конструкции с высокой степенью унификации отдельных блоков.
Автором создана базовая структурная схема модульной информационно-измерительной системы океанографических параметров на уровне изобретения и защищена авторским свидетельством.
При непосредственном участии автора выполнены следующие работы.
Проведены исследования методов преобразования измеряемых гидрофизических параметров в электрические величины и созданы параметрические ряды первичных измерительных преобразователей и измерительных преобразователей, позволяющие компоновать информационно-измерительные системы с заданными параметрами. Работы по первичным измерительным преобразователям и аналого-цифровым преобразователям выполнены на уровне изобретения. По ним автор имеет три авторских свидетельства.
Разработаны бортовые устройства измерительных комплексов на основе встроенных микро-ЭШ с соответствующим математическим обеспечением, позволяющие путём программирования менять свои технические характеристики.
Созданы конструкции и разработаны рекомендации по примене- -14-нию материалов для изготовления глубоководных измерительных устройств.
Созданы стандарты предприятия, регламентирующие весь цикл работ по проектированию и изготовлению модульных измерительных систем.
Результаты диссертационной работы внедрены автором в производство.
Под его руководством организована разработка и изготовление информационно-измерительных систем модульной конструкции с использованием всех перечисленных ранее технических решений.
Предложения по использованию результатов диссертации
Разработанные принципы проектирования и производства модульных измерительных систем целесообразно внедрить в Опытных производствах и конструкторских бюро, занимающихся разработкой и изготовлением океанографической аппаратуры. Кроме того, материалы диссертационной работы используются в учебных курсах:
Проектирование и надёжность систем автоматики и телемеханики;
Телеуправление и телеизмерение;
Проектирование устройств автоматики и телемеханики (по специальности 0606).
Публикация результатов диссертации
Основное содержание диссертации опубликовано в 37 работах, из них 6 препринтов и 4 авторских свидетельства на изобретения. Результаты работ докладывались на симпозиуме "Автоматизация научных исследований морей и океанов" (Севастополь, 1968 г.), на У Всесоюзной школе "Автоматизация научных исследований морей и океанов" (Севастополь, 1980 г.), на У Всесоюзном лимнологичес- -15-ком совещании (г. Листвиничное на Байкале, 198I г.), на Всесоюзном совещании "Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем и автоматизированных систем управления технологическими процессами" (г. Львов, 1982 г.), на П Всесоюзном съезде океанологов (Ялта, 1982 г.), а также на семинарах научных учреждений Советского Союза, занимающихся исследованиями Мирового океана ("Мировой океан", У Всесоюзная конференция, Владивосток, 1983 г.; Всесоюзная конференция по энергетике океана, Владивосток, 1983 г.).
В целом диссертация доложена на научных семинарах Тихоокеанского океанологического института ДВНЦ АН СССР, Института океанологии АН СССР и Ленинградского гидрометеорологического института.
Кроме центральных журналов, часть статей и препринтов опубликована автором в трудах Морского гидрофизического института АН УССР, который входит в "Перечень издательств (кроме центральных и республиканских) и издающих организаций, в научных изданиях которых могут публиковаться основные научные результаты, включаемые в докторские диссертации". Перечень утвержден (I апреля 1977 г.) председателем Высшей аттестационной комиссии при Совете Министров СССР В.Г.Кирилловым-Угрюмовым. Бюллетень № 4, 1977 г.
Структура и содержание работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и перечня литературы. Она содержит 298 страниц машинописного текста (без рисунков и литературы), 85 рисунков и 17 таблиц. Список литературы состоит из 16? наименований (без работ автора), в том числе 17 работ зарубежных авторов.
Ввзедении кратко излагаются основные предпосылки проведения исследований, даётся общая характеристика и описывается структура диссертации. Обсуждается актуальность темы диссертации, формулируются научные задачи исследований, излагаются новые результаты, научные выводы и основные положения, выносимые на защиту, вносятся предложения по практическому использованию результатов.
В первой главе на основе анализа изменчивости параметров исследуемой среды сформулированы требования к системам сбора и обработки информации, определены основные направления создания информационно-измерительных систем и технические требования к первичным измерительным преобразователям, измерительным каналам, системам сбора, первичной обработки и документирования информации. Рассмотрены вопросы унификации и модульного принципа построения информационно-измерительных систем и их метрологического обеспечения.
Во второй главе описаны результаты исследований и создания параметрических рядов первичных измерительных преобразователей температуры, электрической проводимости, скорости потока, направления вектора скорости, позволяющих компоновать модульные информационно-измерительные системы с заранее заданными параметрами.
В третьей главе выполнен анализ различных методов преобразования аналоговых сигналов и на его основе сделан выбор нескольких видов преобразователей, составивших параметрический ряд, позволяющий обеспечить компоновку модельных измерительных систем. Приведены результаты проектирования, изготовления и испытания пяти типов аналого-цифровых преобразователей: поразрадного уравновешивания, следящего, интегрирующего, "период-код" и "частота-код".
Четвёртая глава посвящена вопросам построения бортовых управляющих устройств измерительных систем, проектирования встроенных микропроцессоров, запоминающих устройств и создания про- граммного обеспечения.
В пятой главе даны рекомендации по выбору конструкций, материалов в методике расчётов прочных контейнеров глубоководных аппаратов, разъёмных соединений, глубоководных разъёмов и иллюминаторов, их унифицированные конструкции.
Разработаны конструкции шасси, печатных плат и конструктивы унифицированных бортовых устройств.
В шестой главе кратко описаны некоторые информационно-измерительные системы, построенные по модульному принципу, и даны их технические характеристики.
В заключение обобщаются полученные результаты, формулируются основные выводы и предложения по дальнейшему развитию методики проектирования модульных измерительных систем.
Унификация, агрегатирование, модульный принцип построения измерительных систем
Организация работ по проектированию и изготовлению измерительных комплексов, построенных по модульной структуре с высоким коэффициентом использования унифицированных узлов, блоков, измерительных каналов, потребовала целенаправленной работы, завершившейся созданием специальных стандартов предприятия.
В целом комплексная система управления качеством продукции -комплекс действующих положений и правил, регламентирующих и стимулирующих деятельность подразделений с целью достижения необходимого уровня качества разрабатываемой и изготавливаемой продукции, состоит из 70 стандартов предприятия и условно может быть разделена на три группы: стандарты, регламентирующие технические факторы; стандарты, регламентирующие экономические факторы; стандарты, регламентирующие организационно-управленческие и прочие факторы.
При создании группы стандартов, регламентирующих технические факторы, особое внимание уделялось вопросам унификации, агрегатирования и модульного построения разрабатываемых изделий. При этом унификация рассматривалась как реальный резерв для повышения качества, сокращения стоимости, сроков проектирования и подготовки производства. С целью организации работ по унификации вначале был разработан стандарт предприятия "КС.УКП Порядок проведения работ по унификации". Работы по унификации океанографических средств измерения были условно разделены на три уровня.
К первому уровню относятся: ограничение номенклатуры электрорадиоэлементов и материалов, ограничение типоразмеров деталей и крепежа, унификация конструкций деталей. Второй уровень работ предусматривает разработку общих технических требований к электрическим и конструктивным характеристикам функциональных узлов, унификацию схемотехнических решений, ограничение типоразмеров печатных плат, унификацию функционально и конструктивно законченных узлов. Третий уровень включает ограничение типоразмеров блоков, измерителей, стоек, унификацию модулей.
Организация работ по унификации велась параллельно-последовательным способом, т.е. некоторые работы выполнялись практически одновременно (ограничение электрорадиоэлементов, ограничение материалов, конструктивных элементов деталей), в других случаях соблюдалась четкая очередность (унификация конструкций деталей возможна только после унификации материалов). Наиболее важным моментом была унификация схемотехнических решений на уровне функциональных узлов, затем создание унифицированной конструкции узла, блока.
В процессе работы была создана классификация измерительных комплексов и их составных узлов для дифференцирования технических требований-, предъявляемых к ним.
Значительную роль в процессе унификации имел выбор метода проектирования. С учётом специфики проектирования океанографической аппаратуры наиболее эффективным был признан метод агрегатиро-ванного построения измерительных комплексов на базе радиоэлектронной аппаратуры в модульном исполнении. Такой метод позволил более чётко определить типовую структуру океанографических измерительных комплексов, разработать единые требования к электрическим и конструктивным стыковочным параметрам модулей, определить поузловой состав измерительных комплексов и перечень параметров для каждого функционального узла.
Выполнение основного комплекса работ по унификации и внедрению в практику проектирования модульных измерительных систем полностью завершилось с созданием и внедрением стандартов предприятия: "Гидрофизические средства измерения. Общие технические требования", "Типовая структура", "Классификация", "Средства агрегатные измерительных систем. Общие положения", "Виды и методы испытания".
Важным фактором во внедрении системы модульного проектирования измерительных комплексов является создание и внедрение стандарта предприятия, определяющего порядок обращения конструкторской документации в процессе проектирования. Данный стандарт был разработан на основе документов: ГОСТ 2.102-68 "ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов" и 0СТ4 ГО.005.002 "Порядок проведения НИР и ОКР. Основные положения". Этот стандарт предприятия является типовым для всех конструкторских бюро и не требует подробного описания. Он регламентирует состав выпускаемой конструкторской документации на всех стадиях проектирования, её прохождения в подразделениях предприятия, роль нормо-контроля и стандартизации, технического архива и подразделения оперативной печати в строгом соответствии с ЕСКД.
Одним из основных конструкторских документов, которые определяют индивидуальность подхода к проектированию и прохождение технической документации при создании модульных измерительных комплексов, являются "Руководящие указания по конструированию. Требования к содержанию. Правила оформления". При его разработке на этапе эскизного проекта конкретно оговаривается состав измерительного комплекса, определяются унифицированные узлы и блоки, которые будут входить в состав комплекса без изменений, определяется типоразмер плат, тип унифицированного каркаса для бортовой аппаратуры и ряд других технических характеристик.
При разработке узлов и блоков конкретно оговариваются унифицированные типы контактных разъёмов, разводка электрических цепей, тип монтаже и дополнительные требования в зависимости от типа узла, блока. В руководстве по конструированию указываются разрешенные при проектированию данного измерительного комплекса электрорадиоэлементы, а так же конплектность, литерность, порядок оформления, прохождения и учёта конструкторской документации. После выполнения этапа технического предложения "Руководящие указания по конструированию" при необходимости корректируются.Таким образом, комплексная система управления качеством продукции полностью регламентирует процесс проектирования, изготовления, метрологической аттестации и испытания измерительных комплексов, построенных по модульному принципу, с высоким коэффициентом унификации отдельных узлов, измерительных каналов и блоков управления информационно-измерительных систем.
Принцип построения параметрического ряда океано графических измерительных преобразователей темпе ратуры
Температура - один из информативных параметров морской среды при решении большинства задач экспериментальной гидрофизики. Измерение её - сложный процесс теплового взаимодействия первичного измерительного преобразователи и среды. Наиболее важными причинами возникновения погрешностей при измерении являются: искажение температурного поля в месте нахождения первичных измерительных преобразователей, имеющего определенные размеры; кондук-тивная теплопередача по элементам конструкции первичных измерительных преобразователей, расположенных в сложном температурном поле; наличие в первичных измерительных преобразователях внутренних источников тепла (разогрев чувствительного элемента измерительным током); инерционность первичных измерительных преобразователей; изменчивость параметров теплообмена в зависимости от методики измерения (изменение скорости и направления обтекания). Измерение температуры в океане связано чаще всего с необходимостью защиты чувствительного элемента термоприёмника от прямого контакта со средой, оказывающей на него механическое и химическое воздействие.
Анализ отечественных и зарубежных конструкций термоприемников показывает, что их постоянная времени в значительной степени определяется инерционностью защитной арматуры, которая, в свою очередь, связана с теплофизическими свойствами материала и массой прочного корпуса и буферного вещества, заполняющего пространство между прочным корпусом и чувствительным элементом. Значительная инерционность подавляющего большинства серийно выпускаемых термоприёмников, предназначенных для работы в условиях агрессивных сред и повышенных давлений, ограничивает возможность их применения в практике океанографических исследований.
Отказ от прочного корпуса [Ю9] не всегда дает желаемый результат, поскольку при работе на больших глубинах необходимо предусматривать дополнительные меры для исключения или компенсации влияния тензоэффекта. Прочностные характеристики защитной арматуры находятся в прямой зависимости от интенсивности механического взаимодействия со средой. Улучшение механических параметров защитной арматуры приводит к ухудшению динамических характеристик и увеличению статических погрешностей, обусловленных кондуктивным теплообменом по элементам термоприёмника.
С другой стороны, чем выше скорость набегающего потока, тем интенсивнее теплообмен между термоприёмником и средой, что, в свою очередь, способствует снижению динамических и статических погрешностей 17,187,189,193].
Разработку первичных измерительных преобразователей температуры для тех или иных задач температурных измерений в океане, а также выбор соответствующего термоприёмника из ряда возможных, необходимо проводить на основе рассмотрения конкретных условий взаимодействия его со средой в процессе измерения, исходя из допускаемой для данных измерений погрешности.
Общий диапазон изменения температуры в Мировом океане сравнительно узок. Он лежит в пределах -1,95 +35,8С. Однако, в океанографии предъявляются весьма высокие требования к точности и чувствительности измерителей температуры. В [110] приведены оценки допускаемой погрешности и необходимой разрешающей способности в зависимости от задач выполняемых исследований. Допустимый предел чувствительности термоприёмника вне зависимости от его типа и конструкции определяется при измерении температуры морской воды простым соотношением, выведенным в [17] где лТтіп - предельная флуктуационная чувствительность термоприёмника; х - показатель тепловой инерции термоприёмника; Стіп - обобщенная характеристика идеального прибора, определяющая его флуктуационный порог чувствительности (Cmtn=0r5 10" K-c /2). Максимальный объём пространственного разрешения температурного поля морской воды, при котором реализуется соотношение (5), оценивается как Практически это условие выполняется всегда, поскольку реальные преобразователи имеют гораздо больший объём осреднения. Соотношение необходимо иметь в виду при проектировании измерителей температуры, так как оно определяет физический предел показателей пространственного временного осреднения термоприёмника при заданной чувствительности. При нарушении соотношения не обеспечивается корректность измерений.
Параметрический ряд унифицированных аналого-цифровых преобразователей
Из рассмотренных ранее аналого-цифровых: преобразователей для компановки модульных измерительных систем гидрофизических параметров нашли широкое применение измерительные преобразователи следующих типов: 1. преобразователи поразрядного уравновешивания; 2. следящие уравновешивающие преобразователи; 3. время-импульсные (интегрирующие) преобразователи. Преобразователи поразрядного уравновешивания Преобразователи поразрядного уравновешивания, в свою очередь разработаны и используются двух типов: 1-й тип-с уравновешиванием на переменном токе; 2-й тип-с уравновешиванием на постоянном токе. Функциональная схема 14-ти разрядного преобразователя, работающего на переменном токе, представлена на рис. 41.
Он содержит: генератор; преобразователь код-напряжение; нуль-орган; коммутатор каналов; устройство управления. Преобразователь код-напряжение построен на резистивных матрицах R-2R типа СЭС16К1. В качестве коммутирующих ключей (КЛІ...КЯІ4) преобразователя код-напряжение используются транзисторы ПЗО (в старших разрядах), ГТІ09Ж и микросхемы ІЄ8КТ2А. Нуль-орган служит для фиксации момента уравновешивания и собран на аналоговых микросхемах 140 серии. Особенностью нуля-органа является использование в нем канала уравновешивания квадратурной составляющей напряжения рассогласования, поступающего на вход нуль-органа, что позволяет существенно повысить чувствительность нуль-органа. Коммутатор каналов выполнен на герконовых реле РЭ064Б и служит для поочередного подключения измеряемых каналов к измерительному преобразователю.
Один из каналов (контрольный канал К) формирует контрольный код, с помощью которого осуществляется коррекция погрешности измерительного преобразования. Измерительный преобразователь имеет следующие характеристики. Разрядность преобразователя - 14 двоичных разрядов. Нелинейность - 0,006$ (±1 младшего разряда). Статическая предельная погрешность, при доверительной вероятности 0,95, в диапазоне температур от -2 до +40С составляет - 0,02$ (-4 единицы младшего разряда). Время измерения (преобразования) 64 (32) ПЛС Динамические погрешности данного типа преобразователя обусловлены конечным временем преобразования и неопределённостью момента отсчёта. На рис. 42 приведены амплитудно-частотные характеристики рассматриваемого измерительного преобразователя для различных значений допустимой динамической погрешности (SQ) и для времени преобразования 64 тс и 32 тс Оценка динамических характеристик производилась в соответствии с выражением: где сО - круговая частота входного сигнала, Авх амплитуда входного сигнала, мзм вРемя преобразования, 5Q - допустимое значение динамической ошибки. о Данный тип измерительного преобразователя нашел применение в гидрофизических измерительных комплексах, разработанных в СКТБ МГИ АН УССР и внедренных в практику гидрофизических исследований. Один из таких комплексов "Исток-5" (Зонд МГИ 4102) прошёл государственные испытания и рекомендован сейчас в серийное производство. Измерительные каналы с использованием рассмотренного измерительного преобразователя имеют следующие характеристики: Канал измерений температуры Диапазон измерений от -2С до +35С Цена единицы младшего разряда выходного кода - 0,0025С Предел допускаемого значения погрешности измерения в условиях эксплуатации при доверительной вероятности 0,95-0,025С. Канал измерений удельной электрической проводимости Диапазон измерений: 1,5 См/м до 5,5 См/м (I поддиапазон) от 2,5 См/м до 6,5 См/м (П поддиапазон) Цена единицы младшего разряда выходного кода - 0,00025 См/м Предел допускаемого значения погрешности измерения в условиях эксплуатации при доверительной вероятности 0,95 - (0,002+ + 3 КГ4 ) См/м.
Буксируемые и специальные измерительные комплексы
Решение экспериментальных задач по исследованию крупномасштабной изменчивости океана наиболее рационально выполнять с помощью буксируемых измерителей. Применение буксируемых измерительных комплексов позволяет рационально использовать переходы в районы исследований и переходы во время съёмок на полигонах. В зависимости от класса решаемых задач созданы буксируемые измерительные приборы нескольких типов. Гидролого-оптический буксируемый комплекс МГИ 9201 Комплекс МГИ 9201 предназначен для измерения температуры, относительной электрической проводимости морской воды, гидростатического давления, показателя ослабления направленного света, флуоресценции в деятельном слое океана 0-200 метров на ходу судна при скорости буксировки до 16 узлов. Комплекс МГИ 9201 может осуществлять одиночные погружения-всплытия на ходу судна по команде с бортового устройства, может осуществлять периодические погружения-всплытия с заданной частотой и буксироваться на заданном горизонте.
Метрологические характеристики комплекса аналогичны характеристикам измерительных каналов зонда гидрологического МГИ 4103, ибо в нём используются те же, что и в зонде унифицированные измерительные каналы. Термохалинный зонд-буксир МГИ 4204 Комплекс МГИ 4204 предназначен для работы в режиме зондирования до глубин 1500 м с борта дрейфующего судна и в режиме длительной буксировки со скоростями от 0 до 15 узлов в поверхностном и глубинном слоях океана. Комплекс производит измерения температуры морской воды в диапазоне от -2 до +35 С, относительной электрической проводимости от 0 до 1,6 - , гидростатического давления - от 0 до 15 МПа с разрешающей способностью 0,01С, 0,00025; 0,01 МПа соответственно.
Цикл измерения всех параметров 1,5 с. Метрологические характеристики зонда-буксира МГИ 4204 приближаются к характеристикам зонда гидрологического МГИ 4103. Буксируемые измерители температуры МГИ 4201, МГИ 4202 Буксируемый измеритель температуры МГИ 4201 предназначен для измерения температуры поверхностного слоя океана по пути следования судна и имеет следующие технические характеристики: диапазон измерений температуры от -2 до +35С; пределы допускаемого значения погрешности при доверительной вероятности 0,95 - ±0,1С; цена единицы младшего разряда выходного кода - не более 0,01С; показатель тепловой инерции первичного измерительного преобразователя температуры - I сек; напряжение питания ПУ - 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность - не более 5 ВА; максимальная глубина погружения - 100 м; максимальная скорость буксировки - 15 узлов; продолжительность непрерывной работы 240 часов; статическая характеристика преобразования: Бортовое устройство обеспечивает: преобразование получаемой информации в десятичный код, его индикацию в физических величи- нах (С); осреднение результатов измерения в течение 5, 60, 300, 600 с по выбору оператора; регистрацию на аналоговый регистратор типа КСП и на цифровые каналы регистрации системы КСИМ-72Б; дискретность отсчёта - I с. Связь погружаемого и бортовых устройств осуществляется по одножильному кабель-тросу. Напряжение питания бортового устройства 220 В,50 Гц; потребляемая мощность 80 ВА. Буксируемый измеритель температуры МГИ 4202, упрощенный вариант МГИ 4201. Он имеет только аналоговую регистрацию информации, погружаемое устройство представляет собой первичный измерительный преобразователь температуры с заделкой в трехжильный кабель-трос. Специальные измерительные комплексы предназначены для установки на островных основаниях, полупогружаемых платформах, обитаемых и необитаемых подводных аппаратах. Измерительные комплексы этого типа составляют отдельный класс измерительных приборов. При проектировании модульных информационно-измерительных систем они компонуются унифицированными измерительными каналами и бортовыми управляющими устройствами не требуют сложных каналов передачи информации и её долговременного хранения. В связи с этим, системы в зависимости от условия задач,под которые они создаются, комплектуются унифицированными измерительными каналами в соответствии с базовой структурной схемой. Бортовое устройство так же комплектуется микро-ЭШ, необходимым объёмом памяти и внешними регистрирующими устройствами. В качестве примера приведём описание специального измеритель ного комплекса гидролого-оптических измерителей МГИ 8401. Комплекс МГИ 8401 предназначен для измерения средних величин температуры, удельной электропроводности и гидростатического давления; измерения переменных величин температуры и скорости потока;
