Пристрій гравітаційного зондування підводного грунту

Винахід відноситься до Інженерно-геологічних досліджень І може бути використаний для визначення деформаційноміцнісних властивостей донних грунтів в природному стані. Відомий дистанційний пенетрометр, який вміщає циліндричний корпус з опорним фланцем І стабілізатором, конусний наконечник з штоком, на якому послідовно з певним кроком розміщені електроконтакти, враховуючий контакт з'єднаний з радіопередавачем, розташованим у верхній частині корпусу [1]. При скиданні пенетрометра з певної висоти, наприклад з вертольота, наконечник, підчас занурювання в грунт відносно опорного фланця, почергово замикає електроконтакти, сигнали від яких передаються на вимірювальну станцію, встановлену на літальному апараті. Про міцність грунту роблять висновок по кількості замикань електроконтактів. Недоліком відомого пристрою є мала продуктивність досліджень, яка зв'язана з одноразовим спрацьовуванням пенетромера; складність використання його при глибоководних Іспитах з-за великого гідродинамічного опору, труднощах передачі Інформації на денну поверхню; неможливість повторного використання пенетрометра. Найбільш близьким по технічній сутності до заявленого пристрою є вибраний за прототип самописний одновісний акселерометр, встановлений на трубчатому пробовідбійнику, що вміщає Інерційний вантаж, виконаний у вигляді циліндра з діаграмною стрічкою і встановлений на пружині, електродвигун, який за допомогою зубчатої передачі рівномірно обертає циліндр навколо своєї вісі, пишучий вузол, який переміщується впродовж вісі пробовідбірника І креслить на діаграмній стрічці спіральну криву [2]. При ударі пробовідбірника об дно під дією власної ваги акселерометр фіксує його прискорення відхиленням кривої від спіралі, завдяки якому визначають опір грунту пенетрації пробовідбірником і здвигову міцність грунту. Недоліками цього пристрою є такі. 1. Низька продуктивність дослідження із-за одноразового спрацьовування І необхідності піднімання пристрою на енну поверхню для перезарядки пишучого узла. 2. Мала Інформативність одержуваних даних, яка обумовлює необхідність використання кореляційних залежностей між негативними прискореннями пенетрометра І характеристиками грунту. 3. Складність Інтерпретації властивостей грунтів, яка зв'язана з введенням емпірічних коефіцієнтів, що в великій мірі залежать від конкретних умов зондування і параметрів пенетратора. Винахід направлений на вирішення завдання підвищення продуктивності та Інформативності дослідження доннихг грунтів. Указане завдання досягається тим, що в пристрої гравітаційного зондування підводного грунту, який складається з бортової і занурюваної частин, з'єднаних тросом, при цьому занурювана частина виконана у вигляді герметичного корпусу, який вміщає акселерометр І реєстратор, згідно з цим винаходом герметичний корпус виконаний у формі порожньої сфери, в котрій розміщені магнітний вмикач, гальванічна батарея І джерело живлення, входи яких з'єднані з виходами магнітного вмикача І гальванічної батареї. Акселерометр виконаний у вигляді п'єзодатчика і підсилювача заряду, вхід якого з'єднаний з виходом п'єзодатчика. Реєстратор вміщає нормуючий підсилювач, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача заряду, пристрій вибірки-збереження І компаратор, входи яких з'єднані з виходами нормуючого підсилювача, пристрій керування, один з входів якого з'єднаний з виходом компаратора, а один з виходів - з пристроєм вибіркизбереження, аналого-цифровий перетворювач, входи якого з'єднані з пристроєм керування і пристроєм вибірки-збереження, запам'ятовуючий пристрій, вхід якого з'єднаний з бортовою частиною за допомогою роз'єднувача, встановленого у верхній частині корпусу зонда. Бортова частина уявляє собою пристрій обробки даних І вміщає зовнішній накопичувач, обчислювальну машину, пристрій уводу-виводу, світлодиодний цифровий Індикатор, кнопки керування, джерело живлючої напруги І мікропроцесорний контролер, який складається з центрального процесора, генератора фаз, вихід якого з'єднаний з входом центрального процесора, постійного І оперативного запам'ятовуючих пристроїв. При цьому вузли мікропроцесорного контролера з'єднані з пристроєм уводу-ви-воду за допомогою системної шини, вхід якої з'єднаний з виходом постійного запам'ятовуючого пристрою, а її входи/виходи - з центральним процесором І оперативним запам'ятовуючим пристроєм, зовнішній накопичувач виконаний у вигляді касетного магнітофона І з'єднаний з пристроєм уводу-виводу за допомогою системної шини, вхід якої з'єднаний з виходом постійного запам'ятовуючого пристрою, а її входи/виходи - з центральним процесором І оперативним запам'ятовуючим пристроєм. Зовнішній накопичувач виконаний з вигляді касетного магнітофона І з'єднаний з пристроєм уводувиводу за допомогою компаратора і фільтра високих та низьких частот, при чому вхід компаратора з'єднаний з виходом зовнішнього накопичувача, обчислювальна машина з'єднана з пристроєм уводу-виводу через ключ, входи/виходи якого з'єднані з входами /виходами обчислювальної машини І пристрою уводу-виводу, світлодиодний цифровий Індикатор з'єднаний з останнім за допомогою дешифратора, вхід якого з'єднаний з пристроєм уводу-виводу, а вихід - з світлодиодним цифровим індикатором. Таким чином, заявлений пристрій гравітаційного зондування підводного грунту відповідає критерію винаходу "новизна". Зіставлення заявленого рішення з прототипом та іншими технічними рішеннями в даній області техніки не дозволило виявити в них ознаки, що відрізняють заявлене рішення від прототипу. Це дозволяє зробити висновок про відповідність його критерію "суттєві відзнаки". На фіг. 1 зображена структурная схема пристрою гравітаційного зондування підводного грунту; на фіг. 2 схема підвіски занурюваної частини пристрою; на фіг. З показані ударні Імпульси зонда на грунтах: 1 -мул; 2 пісок; 3 - глина; 4 - суглинок; 5 -вапняк; на фіг. 4 дані графіки динамічної несучої здібності мулу (1), піска (2) і глини (3). Пристрій гравітаційного зондування підводного грунту складається з бортової 1 та занурюваної 2 частин, з'єднаних тросом З з підводним носієм 4. Занурювана частина (гравітаційний зонд) 2 уявляє собою герметичний корпус, виконаний у формі порожньої сфери, в котрій розміщені акселерометр 5, реєстратор 6, магнітний вмикач 7, гальванічна батарея 81 джерело живлення 9. Акселерометр 5 виконаний у вигляді п'єзоелектричного датчика 10 І підсилювача заряду 11, вхід якого з'єднаний з виходом п'єзодатчика 10. Реєстратор б містить нормуючий підсилювач 12, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача заряду 11, пристрій вибірки-збереження 13, компаратор 14, пристрій керування 15, аналого-цифровий перетворювач 16, запам'ятовучий пристрій 17 І герметичний роз'єднувач 18. Вхід нормуючого підсилювача 12 з'єднаний з виходом підсилювача заряду 11, а входи пристрою вибіркизбереження 13 і компаратора 14 - з виходом нормуючого підсилювача 12. Один Із входів пристрою керування 15 з'єднаний з виходом компаратора 14, а один з його виходів - з пристроєм вибірки-збереження 13, Входи аналого-цифрового перетворювача 16 з'єднані з пристроєм керування 15 І пристроєм вибірки-збереження 13. Вхід запам'ятовуючого пристрою 17 з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача 16, один з його вході в /виході в - з пристроєм керування 15, а другий вхід/вихід є входом/виходом реєстратора 6 І з'єднаний з бортовою частиною 1 за допомогою роз'єднувача 18, встановленого у верхній частині корпусу зонда. Бортова частина 1 уявляє собою пристрій обробки даних І вміщає зовнішній накопичувач 19, обчислювальну машину 20, пристрій уводу-виводу 21, світлодиодний цифровий Індикатор 22, кнопки керування 23, джерело живлючої напруги 24 І мікропроцесорний контролер 25. Мікропроцесорний контролер 25 вміщає центральний процесор 26, генератор фаз 27, вихід якого з'єднаний з входом центрального процесора 26, постійний запам'ятовуючий пристрій 28 І оперативний запам'ятовуючий пристрій 29. Вузли контролера 25 з'єднані з пристроєм уводу-виводу 21 за допомогою системної шини ЗО, вхід якої з'єднаний з виходом постійного запам'ятовуючого пристрою 28, а її входи/виходи - з центральним процесором 261 оперативним запам'ятовуючим пристроєм 29. Зовнішній накопичувач 19 виконаний у вигляді касетного магнітофона І з'єднаний з пристроєм уводувиводу 21 за допомогою компаратора 311 фільтра високих та низьких частот. Вхід компаратора 31 з'єднаний з виходом зовнішнього накопичувача 19, а його вихід - з пристроєм уводу-виводу 21. Вхід фільтра високих та низьких частот 32 з'єднаний з виходом пристрою уводу-виводу 21, а його вихід - з входом зовнішнього накопичувача 19, Обчислювальна машина 20 з'єднана з пристроєм уводу-виводу 21 за допомогою ключа 33, входи/виходи якого з'єднані з входами/виходами обчислювальної машини 20 І пристрою уводу-виводу 21. Світлодиодний цифровий Індикатор 22 з'єднаний з пристроєм уводу-виводу 21 за допомогою дешифратора 34, вхід якого з'єднаний з пристроєм уводу-виводу 21, а вихід - з світлодиодним цифровим Індикатором 22. Пристрій гравітаційного зондування функціонує таким чином. Електроживлення гравітаційного зонду (ГЗ) здійснюється від автономного джерела живлення 9, яке складається з двох батарей 8 типу "Корунд". Напруга ±9 В постійного струму подається на джерело живлення 9, яке вміщає електронні ключі, керовані магнітним вмикачем 7,1 стабілізатор напруги + 5 В. Сигнал п'єзоакселерометра 10, пропорційний діючому на нього прискоренню, через підсилювач заряду 11 І нормуючий підсилювач 12 надходить на вхід пристрою вибірки-збереження (ПВЗ) 13 І вхід компаратора 14. Робочий діапазон частот формується фільтрами низьких та високих частот, увімкнутими на вході і виході підсилювача заряду 11. Сигнал з виходу пристрою вибірки-збереження 13 перетворюється аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) 16 в цифровий код, який записується в запам'ятовуючий пристрій (ЗП) 17. Пристрій керування 15 формує відпрацювання затримки після вмикання живлення ГЗ І після запису чергового ударного Імпульсу. В режимі готовності по сигналу з виходу компаратора 14 пристрій керування 15 виробляє керуючі сигнали для ПВЗ 13, АЦП 16 і ЗП 17, виконуючи таким чином запис чергового ударного Імпульсу. Джерельна напруга ~ 220 В, 50 Гц перетворюється в джерелі живлючоТ напруги 24 в постійні напруги + 5 В; -12 В; + 12 В, необхідні для функціонування пристрою обробки даних (ПОД) 1. Мікропроцесорний контролер 25 виконаний на баз! комплекта СБИС К580 І працює за програмою, записаною у постійному запам'ятовуючому пристрої 28. Трирозрядний світлодиодний Індикатор 22 керується мікропроцесорним контролером 25 через пристрій уводу-виводу 21 (П В В) І дешифратор 34. Кнопки S1...S4, які керують роботою ПОД 1, опитуються контролером 25 через ПВВ 21. а кнопка S5 забезпечує рестарт центрального процесора 26. Прийом інформації з ГЗ здійснюється через ПВВ 21 шляхом подавання керуючих сигналів на пристрій керування 15 гравітаційного зонда. Запас Інформації на касетний магнітофон 19 виконується через фільтр 32 низьких та високих частот, а зчитування Інформації з магнітофона 19 - через компаратор 31. Вивід Інформації з ЕОМ 20 здійснуюється через послідовний Інтерфейс в стандарті RS232. Необхідні рівні сигналів формуються ключом 33. Передача Інформації в ЕОМ 20 супроводжується сигналом готовності по передачі і здійснюється за сигналом запитання передачі, що приймається від ЕОМ 20. При установленому магнітному вмикані 7 гравітаційний зонд знаходиться у вимкнутому стані. Після викручування вмикача 7 відпрацьовується затримка П1 вмикання режима готовності. При ударі ГЗ об дно в режимі готовності на протязі однієї секунди виконується запис ударного Імпульсу в ЗП 17 з частотою опитування 500 Гц, після чого відпрацьовується затримка П2 вмикання режиму готовності, яка запобігає можливість помилкового запису при відриві ГЗ від дна. Після запису певної кількості ударних Імпульсів ГЗ залишається у режимі збереження інформації, яка зберігається до моменту встановлення магнітного вмикача 7 або відключення джерела автономного живлення 9. Після піднімання зонда І розкривання його корпусу Інформація через з'єднуючий кабель переписується в оперативний запам'ятовуючий пристрій 29 ПОД 1 і зберігається у ньому до запису нової Інформації або до вимкнення ПОД 1 від джерела змінного струму. Інформація, що зберігається в ОЗУ 29, може бути записана на касетний магнітофон 19, виведена в ЕОМ або її можна продивитись на цифровому Індикаторі 22 в ручному покроковому режимі. При запису Інформації на касетний магнітофон їй можна привласнити номер в Інтервалі 0...99, що дозволяє Ідентифікувати інформацію при наступному зчитуванні її з магнітофонної стрічки. При перегляді Інформації на Індикаторі уводиться номер серії від 0 до 7 і номер точки від 0 до 499, що дозволяє продивитися Інформацію з будь-якого необхідного місця. Керування роботою ПОД 1 здійснюється шляхом послідовного подавання команд з багатофункціональної клавіатури. До зпускання гравітаційного зонда установлюють необхідні затримки вмикання реєструючої апаратури І диапазон вимірюваних прискорень. Розміщують електронні блоки в корпусі занурюваної частини 2 І герметизують П, Споряджений корпус зонда підвішують тросом 3 до підводного носія 4, нариклад фотопробовідбірника або безпосередньо до лебідки плавзасоба. Перед початком занурення зонда у воду з його корпусу видаляють магнітний вмикач 7, після чого пристрій знаходиться в увімкнутому стані. Гравітаційний зонд зпускають на дно до контакту з грунтом. Реєструюча апаратура вмикається під час зпускання зонда після закінчення встановленої витримки часу. Запис ударного Імпульсу провадиться при заданному рівні чутливості по прискоренню І продовжується на протязі однієї секунди. Після закінчення зондування занурювану частину пристрою піднімають на плавзасоб І від'єднують несучий трос 3. Знімають стягуючі гвинти зонда і, використовуючи їх як зйомники, роз'єднують обидві частини міцного корпусу ГЗ. Підключають до роз'єднувача електронного блока ГЗ з'єднуючий кебель ГЗ-ПОД. Для запобігання втрати інформації до її зчитування в ПОД не допускається відключати джерело автономного живлення 9 ГЗ І установлювати магнітний вмикач 7 в корпус зонда. Розшифрування і перезапис даних проводять згідно з одним з режимів роботи пристроя: введення інформації з гравітаційного зонда; перегляд Інформації в покроковому режимі; виведення інформації в ЕОМ; виведення інформації на магнітофон; введення інформації з магнітофона. Нижче наведений приклад конкретного використання пристрою гравітаційного зондування підводного грунту. Обробку даних провадять у відповідності з наступним алгоритмом. Швидкість руху зонда x(t) знаходять шляхом Інтегрування початкового графіка прискорення x(t) в зворотньому напрямку, починаючи з моменту повної зупинки зонда Τ до момента його занурення в грунт t0: де межеві значення хт = 0; хт - 0; dt - крок квантування ударного Імпульсу. В наслідок цього при x(t) = x/to знаходять значення початкової швидкості Хо в момент удару зонда об грунт. Переміщення x(t) визначають інтегруванням графіка x(t) в прямому напрямку де хо = 0; хо = x/to. На кожному кроці квантування графіків x(t), x(t), x(t) визначають функції b = g - x. де r - радіус сферичного зонда; g -прискорення вільного падіння; min(x,2r) значить, що в розрахунках приймається мінімальна з двох величин x І 2r. Далі находять Інтегральні значення величин Динамічну структурну в'язкість μ1зчеплення t0 грунту визначають по формулам Динамічну міцність грунту оцінюють по контактному напруженні під сферичним штампом де m - масса зонда. Площа діаграм oj характеризує дисипацію грунту. Використання пристрою гравітаційного зондування підводного грунту дозволить підвищити продуктивність ті інбоомативність дослідження донни) грунтів за рахунок багаторазового їх опробування І запису ударних Імпульсів без піднімання занурюваної частини на денну поверхню, а також одночасної обробки отриманих даних за допомогою бортової частини пристрою, в наслідок чого визначають деформаційноміцнісні властивості донних грунтів в природному стані. Автономність занурюваної частини пристрою дозволяє використовувати його в комплекті з установками, в яких використовується контакт лідируючого вантажа-розвідника з грунтом, наприклад в донних пробовідбірниках, глибоководних фотоустановках І т.п. При цьому для отримання додаткової інформації про фізико-механічні властивості грунтів в природному стані не потрібний додатковий судновий час, тому що пристрій повністю адаптується до технологічних умов основних операцій (відбір проби грунту, фотографування і та Ін.). Це також підвищує продуктивність дослідження І знижує матеріальні І часові витрати під час випробування грунтів.