Вимірювальна система для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря

Реферат: Винахід належить до океанографічної техніки, а саме - до морських вимірювальних систем. Вимірювальна система для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря містить стаціонарну платформу і зафіксований на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря приладовий контейнер з датчиками, які підключені до вимірювальної апаратури. Приладовий контейнер встановлений з можливістю фіксації на будьяких заданих горизонтах в приповерхневому шарі моря. Він забезпечений засобом контролю свого положення і закріплений вертикально в кардані силової рами, виконаної у вигляді горизонтально розташованого кільця, до якого симетрично по колу прикріплено три гнучкі зв'язки, одним з яких є кабель-трос, який підключений до датчиків і засобу контролю положення приладового контейнера і пропущений через блок, закріплений на кінці стріли, яка закріплена іншим своїм кінцем на нижній палубі платформи з можливістю підйому вгору у вертикальній площині щодо місця закріплення. Далі кабель-трос пропущений через блок, закріплений на нижній палубі платформи на лінії осі стріли, і через лебідку з струмознімачем підключений до встановленої на платформі вимірювальної апаратури. Кожний з двох інших гнучких зв'язків пропущений через один з блоків, закріплених на нижній палубі платформи симетрично щодо лінії осі стріли. Ці два блоки з блоком, закріпленим на кінці стріли, в плані є вершинами рівностороннього трикутника. Далі кожний з двох згаданих гнучких зв'язків сполучений з однією UA 102129 C2 (12) UA 102129 C2 з двох інших лебідок, встановлених на платформі. До нижньої частини приладового контейнера прикріплений на стропі заданої довжини обтічний вантаж заданої ваги. Винахід підвищує ефективність і надійність дослідження заданого приповерхневого шару моря за рахунок забезпечення стабілізації датчиків в просторі на заданому горизонті з можливістю їх подальшого переміщення і стабільної установки на будь-яких інших заданих горизонтах, а також за рахунок зниження трудовитрат при виготовленні системи і можливості її експлуатації без застосування водолазних робіт. UA 102129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до океанографічної техніки, а саме - до морських вимірювальних систем, призначених для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря і має кабельне з'єднання вимірювальної апаратури з морською стаціонарною платформою. Для розрахунку потоків тепла, солі і інших розчинених речовин у водному стовпі моря необхідно враховувати велику кількість параметрів, що впливають на інтенсивність вертикального обміну. Оцінка цих потоків для різних зовнішніх умов середовища є однією з найважливіших задач гідрофізики. При розрахунку турбулентних потоків, перш за все, необхідні вимірювання величин пульсацій як скалярних (температура, електропровідність), так і векторних (швидкість течії). Найбільшу складність представляють вимірювання компонентів пульсацій швидкості, значення яких можуть мінятися у великих межах: від декількох метрів в секунду в приповерхневому хвильовому шарі до декількох міліметрів в секунду - в більш глибоких шарах. Вимірювання дрібномасштабних флуктуацій гідрофізичних величин в приповерхневому шарі моря висувають особливі вимоги не тільки до швидкодії і чутливості датчиків, але і до методики і самої конструкції вимірювальної системи, щоб вона дозволяла контролювати небажані зсуви і вібрацію датчиків і усувати ці явища. Для хвильового приповерхневого шару необхідно розташовувати датчики вище за корпус приладу, щоб виключити вплив вимірника на турбулентні потоки, які в даному випадку направлені вниз. При цьому самому приладу необхідно забезпечити можливість стабілізації при подальших переміщеннях і зупинках для вимірювання на різних горизонтах, а також для установки датчиків максимально близько до поверхні (не вище за горизонт розташування западин поверхневих хвиль) без виходу датчиків в атмосферу при зміні хвильової обстановки. Відома система [1] для дослідження турбулентної структури в приповерхневому шарі моря, яка включає судно-катамаран "F. G. Creed" загальної довжини 20 м і шириною 10 м на двох понтонах діаметром 2 м кожний, оснащене великим комплексом апаратури, зі встановленою на носі рамою з вимірниками, жорстко закріпленими на рамі на постійних горизонтах для проведення вимірювань в приповерхневому шарі моря. Схожими з ознаками заявленого винаходу є такі ознаки аналога: зафіксований на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря приладовий контейнер з датчиками, підключеними до вимірювальної апаратури. Недоліком є те, що ця система складна, вимагає забезпечення великою кількістю додаткової навігаційної апаратури, що спричиняє збільшення фінансових витрат і не забезпечує можливості оперативного отримання даних вимірювань пульсацій швидкості, температури і електропровідності приповерхневого шару на малих глибинах поблизу горизонту розташування западин поверхневих хвиль. При зміні хвильової обстановки немає можливості зміни горизонту вимірника з подальшою стабілізацією його положення. Це знижує ефективність і надійність контролю параметрів приповерхневого шару моря. Відома система [2] для вимірювання компонентів швидкості, викликаних природною генерацією вітрових хвиль, яка включає закріплену на дні озера Онтаріо на глибині 12,5 м нерухому вежу, між палями якої на вертикальній штанзі еліпсоїдного перетину, головна вісь якої вирівняна з вірогідним хвильовим напрямом, жорстко закріплені вимірники, пов'язані з апаратурою, встановленою на березі. Схожими з ознаками заявленого винаходу є такі ознаки аналога: встановлені на стаціонарній вежі датчики, зафіксовані на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря і підключені до вимірювальної апаратури. Недоліком цієї системи є те, що вона не передбачає мобільного встановлення датчиків заново на різні горизонти, тому недостатньо ефективна і надійна при дослідженні морського приповерхневого шару, оскільки не дозволяє в умовах морської змінної хвильової обстановки виконати обов'язкову вимогу розташування датчиків не вище за горизонт западин хвиль. Відома вимірювальна система [3] для дослідження турбулентних пульсацій швидкості і температури води в приповерхневому шарі моря, що складається зі встановленої на дно на глибині близько 12 м вежі, оснащеної комплексом апаратури для проведення вимірювань і сполученої з береговою станцією кабелем завдовжки 3 км. Вимірювання швидкості течії, пульсацій швидкості течії і температури в досліджуваному шарі проводилися на трьох постійних горизонтах (1,7 м, 2,3 м, 3,2 м) нерухомо закріпленими на несучій рамі вимірниками, що рознесені один від одного по горизонталі на відстані від 1,5 до 3 м. Схожими з ознаками заявленого винаходу є наступні ознаки аналога: стаціонарна платформа, на якій встановлений зафіксований на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря приладовий контейнер з датчиками, які підключені до вимірювальної апаратури. Цей аналог по сукупності ознак найбільш близько підходить до заявленого винаходу, тому він вибраний як прототип. 1 UA 102129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліками прототипу є наступне: система складна в збірці, установка вимірників на горизонтах проводиться за допомогою водолазних робіт, функціонування системи вимагає додаткового приладового і фінансового забезпечення. Крім того, в системі не передбачені можливості отримання оперативних даних вимірювань в приповерхневому шарі на різних горизонтах (починаючи з мінімально можливою глибиною вимірювань, залежною від висоти хвиль) через неможливість переміщення і установки вимірника на необхідний горизонт з подальшою стабілізацією положення на новому горизонті. Все це обумовлює недостатню ефективність і надійність дослідження заданого шару моря. В основу винаходу поставлена задача створення вимірювальної системи для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря, в якій за рахунок ознак, що характеризують особливості постановки вимірювальних датчиків в приповерхневому шарі, забезпечується нова технічна властивість - стабілізація датчиків в просторі на заданому горизонті з можливістю їх подальшого переміщення і стабільної установки на будь-яких інших заданих горизонтах, а також зниження трудовитрат при виготовленні системи і можливість її експлуатації без застосування водолазних робіт. При цьому вимірювальний прилад віднесений від стаціонарної платформи - тим самим зменшується вплив опор на область вимірювання, тобто, забезпечується отримання даних в природному середовищі. Вимірювання проводяться із сторони відкритого моря у відповідному діапазоні напрямів течії. Вказана нова властивість забезпечує досягнення технічного результату винаходу підвищення ефективності і надійності дослідження заданого приповерхневого шару моря. Поставлена задача вирішується тим, що у вимірювальній системі для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря, що містить встановлений на стаціонарній платформі і зафіксований на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря приладовий контейнер з датчиками, які підключені до вимірювальної апаратури, новим є те, що приладовий контейнер встановлений з можливістю фіксації на будь-яких заданих горизонтах в приповерхневому шарі моря, при цьому він забезпечений засобом контролю свого положення і закріплений вертикально в кардані силової рами, виконаної у вигляді горизонтально розташованого кільця, до якого симетрично по колу прикріплено три гнучкі зв'язки, одним з яких є кабель-трос, який підключений до датчиків і засобу контролю положення приладового контейнера і пропущений через блок, закріплений на кінці стріли, яка закріплена іншим своїм кінцем на нижній палубі платформи з можливістю підйому вгору у вертикальній площині щодо місця закріплення, далі кабель-трос пропущений через блок, закріплений на нижній палубі платформи на лінії осі стріли, і через лебідку з струмознімачем підключений до встановленої на платформі вимірювальної апаратури, кожний з двох інших гнучких зв'язків пропущений через один з блоків, закріплених на нижній палубі платформи симетрично щодо лінії осі стріли, причому ці два блоки з блоком, закріпленим на кінці стріли, в плані є вершинами рівностороннього трикутника, далі кожний з двох згаданих гнучких зв'язків сполучений з однією з двох інших лебідок, встановлених на платформі, при цьому до нижньої частини приладового контейнера прикріплений на стропі заданої довжини обтічний вантаж заданої ваги. Винахід пояснюється за допомогою креслення, на якому в ізометрії представлений конкретний приклад виконання заявленої вимірювальної системи. Вимірювальна система містить приладовий контейнер 1, у верхній частині якого встановлені датчики (на кресленні не позначені), що виміряють, наприклад, три компоненти пульсації вектора швидкості течії, температуру і електропровідність води, пульсацій температури і електропровідності, гідростатичний тиск. Приладовий контейнер 1 забезпечений засобом контролю свого положення в просторі (на кресленні не показаний), який в даному випадку виконаний у вигляді датчиків азимута, крену і диференту, сконструйованого на основі акселерометрів. Приладовий контейнер 1 закріплений вертикально в кардані 2 силової рами 3, виконаної у вигляді горизонтально розташованого кільця, до якого симетрично, тобто в точках, розташованих через 120° по колу, прикріплено три рівно натягнуті гнучкі силові зв'язки 4, 5, 6. Одним з цих гнучких зв'язків є кабель-трос 4, підключений через гермоввід до встановлених в приладовому контейнері 1 датчиків і засобу контролю положення контейнера. Як два інші гнучкі силові зв'язки, 5 і 6, використані, наприклад, тонкі сталеві троси. До нижньої частини приладового контейнера 1 на стропі 7 заданої довжини прикріплений обтічний вантаж 8 заданої ваги. Довжина стропа 7 повинна забезпечити розташування вантажу 8 нижче за область активної збурюючої дії хвиль - ця довжина повинна бути більше довжини хвилі очікуваного максимального хвилювання. Вагу у воді вантажу 8 визначають розрахунковим шляхом [4] залежно від очікуваних максимальних значень швидкості течії і хвилювання, на весь період проведення вимірювань, і від конструктивних розмірів елементів системи. Наприклад, 2 UA 102129 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для параметрів: очікуване максимальне значення швидкості течії 1 м/с; висота найбільшої хвилі 2 м; період хвиль 5 с; діаметр і довжина приладового контейнера відповідно 50 мм, 800 мм; силова рама з прутка перетином 15 мм колом 800 мм; гнучкі зв'язки діаметром 6 мм завдовжки 5 м, - вага вантажу 8 в повітрі дорівнює 100 кг, що дозволяє використовувати малопотужні ручні лебідки для спуску-підйому елементів системи. Виконання вантажу 8 обтічним, наприклад горизонтально обтічним із стабілізатором, дозволяє зменшити вплив перебігу нехвильового характеру на приладовий контейнер 1. Постановка приладового контейнера 1 на заданому горизонті забезпечується стабілізуючою системою, яка виконана таким чином. На морській стаціонарній науково-дослідній платформі 9, на її нижній палубі 10, закріплена стріла 11 з можливістю її підйому вгору у вертикальній площині щодо місця закріплення. Переважно стріла 11 встановлена горизонтально (відносно горизонтально розташованої платформи) і так, що вісь стріли перпендикулярна краю нижньої палуби 10. На виступаючому кінці стріли 11 закріплений блок 12, через який пропущений кабель-трос 4. Далі кабель-трос пропущений через блок 13, який закріплений на нижній палубі 10 на лінії осі стріли 11, і через встановлену на верхній палубі платформи лебідку з струмознімачем 14 підключений до бортової апаратури і комп'ютера в лабораторії, обладнаній на платформі. Кожний з двох інших гнучких зв'язків, троси 5 і 6, пропущені через один з двох блоків, відповідно, 15 і 16, які закріплені на нижній палубі 10 симетрично щодо лінії осі стріли 11. При цьому блоки 15 і 16 закріплені так, що спільно з блоком 12, закріпленим на виступаючому кінці стріли 11, вони в плані, в даному випадку в горизонтальній площині, є вершинами рівностороннього трикутника. В даному прикладі вісь стріли 11 є висотою цього трикутника. Натягнення стропа 7 і натягнення в радіальних напрямах гнучких зв'язків 4-6 забезпечують положення приладового контейнера 1 на вертикалі, що проходить через центр цього рівностороннього трикутника. Далі гнучкі зв'язки 5 і 6 сполучені зі встановленими на верхній палубі платформи лебідками, відповідно, 17 і 18. Система забезпечена і іншими елементами, що традиційно використовуються в гідрофізичному устаткуванні (на кресленні не показані або не позначені): вантажною лебідкою, стрілами до лебідок, обвідними блоками кран-балок, такелажним і тросовим оснащеннями і т.п. Заявлений пристрій забезпечує установку вимірювальних датчиків на заданий горизонт в приповерхневому шарі моря, контроль положення датчиків в просторі, досягнення необхідного положення датчиків і надійну стабілізацію досягнутого необхідного положення, а також забезпечує мобільне переміщення датчиків і послідовну їх установку на будь-які інші задані горизонти приповерхневого шару моря із забезпеченням контрольованої стабілізації необхідного положення датчиків в просторі. Методику постановки вимірювальної системи і вимірювання дрібномасштабних флуктуацій гідрофізичних величин приповерхневого шару моря здійснюють таким чином. Заздалегідь закріплюють приладовий контейнер 1 (зі встановленими датчиками і засобом контролю положення контейнера) вертикально в кардані 2 його несучої рами 3. Стріла 11 на нижній палубі 10 науково-дослідної платформи 9 піднята вгору. Кабель-трос 4 з верхньої палуби платформи послідовно пропускають через лебідку з струмознімачем 14, блок 13, блок 12 на кінці стріли 11, і витравляють з кінця стріли. Силову лінію кабель-троса 4 кріплять до рами 3, а його електричну лінію через герметичний ввід підключають до приладового контейнера 1 до вимірювальних датчиків і засобу контролю положення контейнера. Інший кінець кабелю 4 підключають до бортової вимірювальної апаратури. Два інші гнучкі зв'язки, троси 5 і 6, від лебідок 17 і 18 пропускають відповідно через блоки 15 і 16 і кріплять до силової рами 3, причому так, щоб точки кріплення цих гнучких зв'язків спільно з точкою кріплення першого гнучкого зв'язку 4 (кабель-троса), були розташовані симетрично по кільцю рами 3 - через 120° по колу. До нижньої частини приладового контейнера 1 через тросове оснащення кріплять строп 7 з вантажем 8, до якого кріплять відтяжку з капронового фала у вигляді дупліня. На три гнучкі зв'язки 4, 5, 6 лебідками 14, 17, 18 дають навантаження, піднімаючи на стрілі 11 приладовий контейнер 1, і виводять вантаж 8 за межі нижньої палуби 10. Потім опускають на гнучких зв'язках вантаж 8 у воду, і стрілу 11 поволі опускають за допомогою власної вантажної лебідки до робочого положення. При цьому вантаж 8 від'єднують від дупліня, а гнучкі зв'язки 4-6 по черзі витравляють, виводячи приладовий контейнер 1 на розрахунковий горизонт. Лебідками 14, 17, 18 забезпечують рівне радіальне натягнення всіх трьох гнучких зв'язків 46. В місці з'єднання кожному з трьох гнучких зв'язків з рамою 3 сила натягнення розкладається на дві сили [5]: перша направлена вниз паралельно стропу 7, а друга перпендикулярна першій, направлена у бік підвісу гнучкого зв'язку на відповідному блоці, з числа 12, 15, 16, і прагне 3 UA 102129 C2 5 10 15 20 25 30 35 пересунути силову раму 3 з приладом 1 до місця підвісу цього гнучкого зв'язку на цьому блоці. Три рівні розтягуючі сили, діючі в радіальному напрямі на три гнучкі зв'язки, закріплені на силовій рамі 3 на рівній відстані один від одного (через 120° по колу рами), забезпечують стаціонарне положення приладу 1 в кардані 2 силової рами. Натягнення стропа 7 під впливом вантажу 8 при рівності довжин відрізків гнучких зв'язків 4, 5, 6 від місця їх закріплення на силовій рамі 3 до відповідних блоків 12, 15, 16 забезпечує горизонтальне положення силової рами 3 і розташування приладового контейнера 1 на вертикалі, що проходить через центр рівностороннього трикутника, утвореного блоками 12, 15, 16. Необхідне вертикальне положення приладового контейнера 1 і величина його заглиблення контролюється засобом контролю положення контейнера, і відповідна інформація надходить в лабораторію на борту платформи. Датчики виміряють гідрофізичні параметри на заданому горизонті приповерхневого шару моря, і через кабель-трос 4 дані надходять в лабораторію. Система дозволяє легко встановлювати заново комплекс вимірювальних датчиків на будьякий інший заданий горизонт. Наприклад, щоб опустити датчики нижче, по черзі або одночасно збільшують довжину гнучких зв'язків 4-6 на рівну величину, зменшуючи лебідками 14, 17, 18 навантаження на ці гнучкі зв'язки, і силова рама 3, несуча приладовий контейнер 1 з вимірювальними датчиками, переміщається по вертикалі вниз, виводячи датчики на черговий розрахунковий горизонт, що контролюється засобом контролю положення приладового контейнера. Система запобігає вібрації датчиків, жорстко фіксує задане положення вимірювального комплексу в просторі і забезпечує цю фіксацію на будь-яких інших заданих горизонтах. Джерела інформації: 1. Drennan W.M., Donelan M.A., Terray E.A., Katsaros K.B. Oceanic turbulence dissipation measurements in SWADE // J. Physical Oceanography, 1996. V. 26. P. 808-815. 2. Gerbi G.P., Trowbridge J.H., Edson J.B, Pluedmann A.J., Terray E.A., Fredericks J.J. Measurements of momentum and heat transfer across the air-sea interface // J. Phys. Oceanogr.,2008. V. 38, P. 1054-1072. 3. Terray E.A., Donelan M.A., Agrawal Y.C., Drennan W.M., Kahma K.K., Williams III A.G., Hwang P.A. and Kitaigorodskii S.A. Estimates of kinetic energy dissipation under breaking waves// J. Phys. Oceanogr.,-1996.-26, № 5. - P. 792-807. 4. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 476. 5. Справочник машиностроителя в шести томах. - Москва: Машиностроение, 1964. - Т. 1. С. 362. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 Вимірювальна система для дослідження дрібномасштабної турбулентності в приповерхневому шарі моря, що містить стаціонарну платформу і зафіксований на заданому горизонті в приповерхневому шарі моря приладовий контейнер з датчиками, які підключені до вимірювальної апаратури, яка відрізняється тим, що приладовий контейнер встановлений з можливістю фіксації на будь-яких заданих горизонтах в приповерхневому шарі моря, при цьому він забезпечений засобом контролю свого положення і закріплений вертикально в кардані силової рами, виконаної у вигляді горизонтально розташованого кільця, до якого симетрично по колу прикріплено три гнучкі зв'язки, одним з яких є кабель-трос, який підключений до датчиків і засобу контролю положення приладового контейнера і пропущений через блок, закріплений на кінці стріли, яка закріплена іншим своїм кінцем на нижній палубі платформи з можливістю підйому вгору у вертикальній площині щодо місця закріплення, далі кабель-трос пропущений через блок, закріплений на нижній палубі платформи на лінії осі стріли, і через лебідку з струмознімачем підключений до встановленої на платформі вимірювальної апаратури, кожний з двох інших гнучких зв'язків пропущений через один з блоків, закріплених на нижній палубі платформи симетрично щодо лінії осі стріли, причому ці два блоки з блоком, закріпленим на кінці стріли, в плані є вершинами рівностороннього трикутника, далі кожний з двох згаданих гнучких зв'язків сполучений з однією з двох інших лебідок, встановлених на платформі, при цьому до нижньої частини приладового контейнера прикріплений на стропі заданої довжини обтічний вантаж заданої ваги. 4 UA 102129 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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 5