Гідрографічний буй

Реферат: Винахід належить до океанографії та може бути використаний при конструюванні пристроїв для визначення параметрів вітрових хвиль у відкритому морі. Гідрографічний буй до складу якого входить стовпоподібний плавучий корпус, спускний на глибину пристрій з баластом, нерухомо закріпленим за допомогою стержня під ним, антенно-щогловий пристрій з платформою, під якою встановлені випромінювачі оптичних сигналів, а на відстані по вертикалі h під нею на шарнірах змонтовані штанги довжиною L з рівномірно розподіленими на них приймачами оптичних сигналів і механізмом автоматичної зміни розмірів та форми, включаючи поплавки, при цьому оптична вісь кожного випромінювача нахилена відносно осі на кут φ, який L визначається співвідношенням   arc tan . На платформі додатково встановлені 2h метеорологічні датчики, опускний за допомогою кабель-троса на глибину пристрій з проміжною плавучістю-барабаном та амортизаторами, закріпленими на противазі, виконаного у вигляді хрестоподібної шарнірно-стержневої решітки з встановленими на ній гідрологічними датчиками. Решітка шарнірно закріплена на механізмі автоматичної зміни її розмірів і форми, що виконаний у вигляді поршневої системи. Рухомі рами згаданих вище решіток за допомогою стержневих відкосів зблоковані з ходовим стержнем поршневої системи. Винахід дозволяє підвищити експлуатаційні характеристик гідрографічного буя. UA 104639 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до океанографії та може бути використаний під час конструювання пристроїв для визначення параметрів вітрових хвиль у відкритому морі. Відомий «Регистратор волн на поверхности водоемов» (А.С. №477301, СССР МПК G01С 13/00, 1973 года), до складу якого входить два скануючих резистивних дротяних датчика, що обертаються, і які встановлені на нерухомій основі, котра включена до вимірювального мосту. Недоліком цього реєстратора є неможливість проводити вимірювання нахилу хвиль у відкритому морі, а також значні похибки під час вимірювання високих хвиль, особливо із-за малої бази між датчиками. Ці похибки зумовлені тим, що величина вимірювання опору кожного датчика значно перевищує величину опору між датчиками, яка є вихідною для визначення нахилів хвиль. Відомий «Буй для сбора метеорологических и гидрологических данных» (А.С. №882822, СССР МПК В63В21/52, 1981 года), до складу якого входить стовпоподібний корпус, контейнери з апаратурою, спускні на глибину гідрологічні датчики (сейсмічні, гідростатичного тиску, напряму та швидкості руху води, температури, солоності тощо), щоглу з платформою, на якій змонтовані метеорологічні датчики (швидкості та напрямку вітру, температури повітря, атмосферного тиску...), радіопередавальний пристрій з антеною. Реєстрація метеорологічних та гідрологічних параметрів навколишнього середовища дозволяє отримувати дані про стан водної поверхні лише частково у першому наближенні в лабораторних умовах берегових постів після передачі інформації по радіолінії. Ця обставина свідчить про низькі експлуатаційні можливості такого буя. Відоме «Устройство для измерения наклонов ветровых волн» (А.С. №821917, СССР МПК G01C 13/00, 1981 года), до складу якого входять резистивні дротяні датчики з ніхромового дроту. Датчики встановлені на кронштейнах та прикріплені до віхи, що виконана у вигляді труби. Для збереження вертикального положення віхи, вона закріплена на карданному підвісі, що утримується відносно поверхні води за допомогою поплавків, а до її нижнього кінця на тросі підвішений вантаж. З метою зменшення спотворення хвильового поля у датчиків, поплавки від віхи винесені на деяку відстань та закріплені на штангах. Для вимірювання високочастотної частини спектра вітрових хвиль, передбачені датчики з малою базою на кронштейнах. Положення пристрою в напрямку розповсюдження хвиль підтримується флюгером, який встановлено на одному з поплавків. Передача сигналів з датчиків здійснюється по кабельному та радіоканалу зв'язку. Пристрій працює наступним чином. У штильову погоду рівень води відносно датчиків не змінюється і з виходу вимірювального блока реєструється сигнал, що відповідає горизонтальному рівню. З виникненням вітрових хвиль система починає здійснювати коливальні рухи. При цьому віха з датчиками здійснює коливання тільки по вертикалі, що забезпечує вимірювання різності рівнів між датчиками (нахилів), з необхідною точністю незалежно від висоти хвиль. Нахили дрібних хвиль визначаються під час їхнього проходження через датчики з малою базою, які встановлені на кронштейнах. Цей пристрій для вимірювання нахилів вітрових хвиль дає уявлення про стан водної поверхні у даний момент часу - спрогнозувати, який стан водної поверхні буде у найближчому майбутньому неможливо. Прототипом запропонованого винаходу є «Устройство для измерения крутизны ветровых волн» (А.С. №1781546, СССР МПК G01C 13/00, 1992 года), до складу якого входить плавучий, виконаний у вигляді герметичної труби корпус з апаратурою, до нижньої частини якого на стержні приєднаний баласт - опускний пристрій, а у верхній частині встановлена щогла з антеною та платформою. У верхній частині корпуса горизонтально встановлені осі, на яких шарнірно закріплені штанги з поплавками. На зовнішній поверхні штанг на однаковій відстані один від одного встановлені датчики, що виконані у вигляді приймачів оптичних сигналів. Під платформою на кронштейнах встановлені випромінювачі оптичних сигналів. Для утримання пристрою в напрямку розповсюдження хвиль до одного з поплавків приєднаний флюгер. В транспортному положенні пристрою штанги з поплавками розміщені вздовж корпуса, що приводить до суттєвого скорочення його габаритів та створює зручність під час доставки його до місця ставлення. Після приводнення пристрою плавучий корпус встановлюється під дією баласту (опускного пристрою) у вертикальному положенні. Щогла з антеною та платформою розміщується над поверхнею води, а поплавки під дією позитивної плавучості розвертають штанги на осях відносно корпуса. При цьому на спокійній воді штанги встановлюються горизонтально-паралельно поверхні води. Випромінювачі оптичних сигналів закріплені на кронштейнах під платформою таким чином, щоб їхні оптичні осі складали з вертикальною віссю пристрою кут , який визначається співвідношенням 1 UA 104639 C2 L , 2h де L - довжина штанги; h - висота, на якій встановлені випромінювачі відносно шарнірного підвісу штанг. Тобто, на спокійній воді оптичні сигнали від випромінювачів сприймаються фіксованими приймачами оптичних сигналів, що знаходяться в середині на поверхні штанг. Таким чином, під час виникнення хвилювання за показаннями датчика, що прийняв оптичний сигнал, можна уявляти в будь-який момент часу про крутизну хвилі в даній точці, тобто про кут, що утворюється дотичною до профілю хвилі з горизонтальною лінією. Цей пристрій для вимірювання крутизни хвиль дає уявлення про стан водної поверхні у даний момент - спрогнозувати, який стан водного середовища у найближчому майбутньому, а тим більш зробити довгостроковий прогноз не є можливим. Недосконалість конструкції виключає можливість отримання достовірної інформації про причини виникнення хвилювання на поверхні води: - поверхневі, зумовлені метеорологічними змінами; - внутрішні, зумовлені змінами гідрології. Ця обставина свідчить про неможливість за допомогою пристрою-прототипу отримувати комплексні дані про стан навколишнього середовища та судити про причини, що викликають виникнення хвилювання, а це виключає можливість реалізації довгострокового прогнозування. Таким чином, можна констатувати, що пристрій-прототип має низькі експлуатаційні характеристики. В основу винаходу поставлена задача підвищення експлуатаційний характеристик пристрою-прототипу. Поставлена задача вирішується шляхом того, що гідрографічний буй, до складу якого входить стовпоподібний плавучий корпус, опускний на глибину пристрій з баластом, який нерухомо закріплено за допомогою стержня під плавучим корпусом, антенно-щогловий пристрій з платформою, під якою встановлені випромінювачі оптичних сигналів, а на вертикальній відстані h під нею на шарнірах змонтовані штанги, довжиною L з рівномірно розміщеними на них приймачами оптичних сигналів та механізмом автоматичної зміни розмірів і форми, включаючи поплавки, при цьому оптична вісь кожного випромінювача нахилена відносно осі корпуса на кут , що визначається співвідношенням:   arc tan L , та відрізняється тим, що на платформі 2h додатково встановлені метеорологічні датчики, опускний за допомогою кабель-троса на глибину пристрій з проміжною плавучістю - барабаном та амортизаторами, закріпленими на противазі, який виконано у вигляді хрестоподібної шарнірно-стержневої решітки з встановленими на ній гідрологічними датчиками, яка шарнірно закріплена на механізмі автоматичної зміни її розмірів та форми, виконаному у вигляді поршневої системи, при цьому рухомі рами вищезгаданих решіток за допомогою стержневих підкосів, зблоковані з ходовим стержнем поршневої системи. Суть винаходу пояснюється кресленнями: - на фіг. 1 зображено запропонований гідрографічний буй в транспортному положенні, загальний вигляд; - на фіг. 2 зображено виносний елемент опускного пристрою з гідрологічними датчиками, аксонометричне зображення (дві стрілки умовно не показані); - на фіг. 3 зображений гідрографічний буй у робочому положенні на гребні хвилі; - на фіг. 4 зображений виносний елемент в'юшки - проміжної плавучості під час виведення опускного пристрою у робоче положення; - на фіг. 5 представлена динаміка розкривання опускного пристрою в процесі його занурення; - на фіг. 6 представлено положення складових частин гідрографічного буя у западині хвилі; - на фіг. 7 - те саме, на рівній воді; - на фіг. 8 - те саме, на схилі хвилі; - на фіг. 9 - вид зверху запропонованого гідрографічного буя у робочому положенні; - на фіг. 10 - структурна схема апаратурної частини. Гідрографічний буй складається із плавучого, виконаного у вигляді герметичної труби, стовпоподібного корпусу 1 з апаратурою 2, до нижньої частини якого на стержні 3 приєднаний баласт 4, а у верхній частині встановлена щогла 5 з антеною 6 та платформою 7. У верхній частині корпуса 1 горизонтально встановлені осі 8, на яких шарнірно закріплені штанги 9 з поплавками 10, на зовнішній поверхні штанг 9 на однаковій відстані один від одного встановлені датчики 11, що виконані у вигляді приймачів оптичних сигналів. Під платформою 7 на кронштейнах 12 встановлені випромінювачі оптичних сигналів 13. Для утримання гідрографічного буя в напрямку розповсюдження хвиль до одного з   arc tan 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 2 UA 104639 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 поплавків 10 приєднаний флюгер 14. На верхній поверхні платформи 7 змонтовані гідрометеорологічні датчики 15 (швидкості та напрямку вітру, температури повітря, атмосферного тиску...). До складу гідрографічного буя входить також опускний на глибину пристрій з гідрологічними датчиками 16 (гідростатичного тиску, напрямку та швидкості руху води, температури, солоності, сейсмічні та ін.). Опускний на глибину пристрій складається з комбінованого герметичного корпуса, що містить співвісні циліндри великого 17 та малого 18 діаметра, в якому розміщений поршень 19 з ходовим штоком 20. У нижній частині циліндра великого діаметра 17 встановлені шарніри 21, на яких з можливістю обертання підвішені рухомі рами 22, ходові кінці яких у вигляді парних зубчастих рейок-тяг 23. За допомогою шестерень 24, що знаходяться у зачепленні з зубчастими рейками-тягами 23, рухомі рами 22, що взаємодіють з виносними вилоподібними стрілами 25, при цьому ходовий шток 20 поршня 19 шарнірно скріплений з стержневими підкосами 26, які у свою чергу шарнірно скріплені з рухомими рамами 22. В транспортному положенні хрестоподібна шарнірно-стержнева решітка знаходиться у складеному стані, при цьому поршень 19 механізму автоматичної зміни її розмірів та форми знаходиться на дні циліндра 17, відповідно - ходовий стержень 20 - у висунутому положенні, а внутрішня порожнина 27 циліндра 17 є вільною для наступного переміщення поршня 19 вгору. Комунікація апаратури 2 стовпоподібного плавучого корпуса 1 з апаратурою 28 опускного пристрою здійснюється за допомогою кабель-троса 29, запасованого зустрічними штангами на обертальному барабані 30 проміжної плавучості 31. Барабан 30, так саме як і клюзові кришки 32 для розмотування кабель-троса 29, виконаний з щільного пінопласту, що забезпечує підйомну силу проміжної плавучості 31. Корінний кінець 33 кабель-троса 29 виконаний спіральним, а проміжна плавучість 31 за допомогою амортизаторів 34 з'єднана з баластом 4 плавучого стовпоподібного корпуса 1. У транспортному положенні плавучий стовпоподібний корпус 1, проміжна плавучість 31 та циліндр 17 опускного на глибину пристрою, послідовно зблоковані між собою автоматичними замками-роз'єднувачами 35. Після занурення гідрологічного буя у воду автоматично одночасно спрацьовують замкироз'єднувачі 35, опускний на глибину пристрій занурюється, захоплюючи за собою проміжну плавучість 31 - з обертального барабана 30 витравлюються шлаги кабель-троса 29. По мірі занурення зростає гідростатичний тиск, під дією якого поршень 19 з ходовим стержнем 20 переміщується вздовж внутрішньої порожнини 27 циліндрів 17 та 18 вгору. У результаті стержневі підкоси 26 приводять до взаєморуху складових елементів 22-25 хрестоподібної шарнірно-стержневої решітки та опускний на глибину пристрій виводиться у робоче положення. До цього часу плавучий стовпоподібний корпус 1 встановлений у вертикальному положенні, антенно-щогловий пристрій 6 та 5 з платформою 7 та метеорологічнимидатчиками 15 розміщується над поверхнею води, а поплавки 10 під дією додатної плавучості розвертають штанги 9 на осях 8 відносно плавучого стовпоподібного корпуса 1. При цьому на спокійній воді штанги 9 встановлюються перпендикулярно корпусу 1, тобто розміщуються горизонтально-паралельно поверхні води. Випромінювачі оптичних сигналів 13 закріплені на кронштейнах 12 під платформою 7 таким чином, що їх оптичні осі складають з вертикальною віссю антенно-щоглового 6 та 5 пристрою кут , що визначається співвідношенням   arc tan L , де: L - довжина штанги; h - висота, на 2h якій встановлені випромінювачі відносно шарнірного підвісу штанг. Тобто, на спокійній воді оптичні сигнали від випромінювачів 13 сприймаються фіксованими датчиками 11, які знаходяться посередині на поверхні штанг 9. Таким чином, при виникненні хвилювання за показаннями датчиків, що прийняли оптичний сигнал, можна уявляти у будь-який момент часу про крутизну хвилі у даній точці, тобто кут, що утворюється дотичною до профілю хвилі з горизонтальною лінією. Синхронно проводиться реєстрація параметрів навколишнього середовища метеорологічними та гідрологічними датчиками 15 та 16. Через модуль обробки сигналів зібрані дані по радіолінії періодично передаються на берегові пости, де здійснюється їх обробка и комплексний аналіз. Таким чином, крім констатації факту, що в даний момент часу профіль водної поверхні такий-то, як у пристрої-прототипі, що є лише однією експлуатаційною характеристикою, за допомогою запропонованого буя отримуємо додаткову інформацію - який при цьому поверхневий (атмосферний) і внутрішній (водний) стан навколишнього середовища. Ця обставина дозволяє уявляти, чим саме зумовлений такий стан водної поверхні і зробити прогноз - як довго це триватиме... 3 UA 104639 C2 5 10 15 20 25 30 35 Технічний результат винаходу полягає в створенні технічного засобу-виробу, що занурюється на глибину, склад частин якого, їх розміщення, взаємозв'язок і переміщення засновані на використанні зміни величини гідростатичного тиску в залежності від ступеня заглиблення. На поверхні води ходовий стержень поршневої системи механізму автоматичної зміни розмірів та форми знаходиться у висунутому положенні, при цьому хрестоподібна шарнірно-стержнева решітка перебуває у складеному положенні: рухомі рами та вилкуваті стріли з гідрологічними датчиками розміщуються вздовж плавучого стовпоподібного корпуса. Під час занурення опускного на глибину пристрою, ходовий стержень поступово переміщується вгору, розвертаючи рухомі рами та вилкуваті стріли. У робочому положенні поршень з ходовим стержнем перебувають у найвищому положенні, складові елементи хрестоподібної шарнірностержневої решітки з гідростатичними датчиками розміщуються в горизонтальній площині. Під час підйому опускного на глибину пристрою на борт судна, динаміка переміщення складових частин механізму автоматичної зміни розмірів та форми хрестоподібної шарнірностержневої решітки здійснюється у зворотній послідовності. В основу винаходу було поставлено задачу підвищення експлуатаційних характеристик гідрографічного буя. Поставлена задача вирішена шляхом створення динамічної конструкції адаптованої до фізичних параметрів експлуатаційного середовища, що дозволяє отримати її характеристики. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Гідрографічний буй, до складу якого входить стовпоподібний плавучий корпус, спускний на глибину пристрій з баластом, нерухомо закріпленим за допомогою стержня під ним, антеннощогловий пристрій з платформою, під якою встановлені випромінювачі оптичних сигналів, а на відстані по вертикалі h під нею на шарнірах змонтовані штанги довжиною L з рівномірно розподіленими на них приймачами оптичних сигналів і механізмом автоматичної зміни розмірів та форми, включаючи поплавки, при цьому оптична вісь кожного випромінювача нахилена L , який відрізняється відносно осі на кут φ, який визначається співвідношенням   arc tan 2h тим, що на платформі додатково встановлені метеорологічні датчики і опускний за допомогою кабель-троса на глибину пристрій з проміжною плавучістю - барабаном та амортизаторами, закріпленими на противазі, виконано у вигляді хрестоподібної шарнірно-стержневої решітки з встановленими на ній гідрологічними датчиками, яка шарнірно закріплена на механізмі автоматичної зміни її розмірів та форми, виконаному у вигляді поршневої системи, при цьому рухомі рами вищезгаданих решіток за допомогою стержневих відкосів зблоковані з ходовим стержнем поршневої системи. 4 UA 104639 C2 5 UA 104639 C2 6 UA 104639 C2 7 UA 104639 C2 8 UA 104639 C2 9 UA 104639 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10