CC BY
57
УДК 551.46
ЭКОНОМИЧНЫЙ РЕГИСТРАТОР ВОЛНЕНИЯ МОРЯ
© В.И. Иволгин, Д.П. Ковалев, П.Д. Ковалев
Ключевые слова: измерения; микроконтроллеры; морские волны.
В работе рассматриваются основные характеристики и особенности разрабатываемой серии донных регистраторов, позволяющей сократить экспедиционные расходы на исследования. Эта цель достигается снижением стоимости приборов, увеличением ресурса автономной работы до 1 года, применением при необходимости режима всплытия как по команде внутреннего таймера, так и внешнего акустического сигнала.
Регистрация волн цунами от разных по магнитуде и удалению источников землетрясений позволяет выявить особенности прихода волн цунами, их интенсивность, изучить влияние направленности излучения в очаге цунами, что необходимо для организации и расстановки телеметрических регистраторов Службы предупреждения о цунами [1-5].
Поэтому в 2008 г. Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН развернул на Южных Курильских островах разнесенную сеть регистраторов придонного гидростатического давления, предназначенных для измерения длинных волн в диапазоне периодов цунами [6]. Эта сеть успешно функционирует и в настоящее время. Каждые полгода автономные регистраторы волнения (АРВ) [7], установленные в местах, обозначен-
ных на карте (рис. 1), поднимаются для считывания накопленной информации. За время работы сети были получены записи цунами от одного близкого (Симу-шир, 15 января 2009 г.) и нескольких удаленных землетрясений (Индонезия, 3 января; Самоа, 29 сентября и Вануату, 7 октября 2009 г., а также Чилийское, 27 февраля 2010 г.). Помимо цунами, было зафиксировано несколько сильных штормов, причем 23-24 января 2009 г. и 3-4 августа 2010 г. в записях выделены аномальные колебания, сходные по своим характеристикам с цунами. Данные события отнесены нами к разряду метеоцунами, поскольку в Тихом океане в этот период не было отмечено сильных землетрясений, и наиболее вероятной причиной их проявления является прохождение резко выраженных атмосферных фронтов.
Рис. 1. Карта южных Курильских островов и места установки регистраторов волнения сети мониторинга опасных морских явлений и цунами
За время проведения исследований сменилось несколько поколений технических средств, применяемых для регистрации морского волнения. В настоящее время для этих целей преимущественно используются автономные регистраторы промышленного изготовления: АРВ-К10...АРВ-К12, АРТ-К12, имеющие достаточно высокие метрологические и эксплуатационные характеристики. Однако их широкому применению препятствуют относительно высокая стоимость полного цикла исследования, включающая в себя как стоимость самих приборов, так и стоимость эксплуатации.
Следует отметить, что на достаточно высокую стоимость АРВ накладывается и стоимость утраченных приборов (в некоторые полевые сезоны потери достигают до 40 % от их количества), чему способствуют сложные погодные условия в местах их установки. Кроме того, имеющегося у АРВ запаса памяти и ресурса источника питания достаточно для записи информации только в течение полугода. Эта их особенность требует снаряжения каждые полгода дорогостоящей судовой экспедиции для установки и подъема приборов. И эта статья расходов становится особенно затратной при обслуживании регистраторов в таких удаленных местах, как, например, район Южных Курильских островов. Частичным решением проблемы является создание экономичного по энергопотреблению измерителя волнения с большим объемом памяти, достаточным для накопления информации в течение года.
Для обеспечения длительной работы прибора необходимо увеличение объема памяти, требующего дополнительного электропитания, и емкости (а значит объема) самого источника питания. Поскольку объем автономных приборов в значительный степени определяется размерами источников питания, то это приводит к существенному увеличению размеров прибора, к трудностям в его постановке на дно с использованием небольших плавсредств. Следовательно, при создании прибора на первый план выходит задача сокращения потребления тока электроникой прибора.
В разрабатываемой конструкции эта проблема решена за счет применения импульсного режима работы, когда большую часть времени прибор находится в режиме «сна» с малым потреблением тока, выходя из него только на период проведения измерения и выполнения сопутствующих действий. Кроме того, все процедуры функционирования АРВ были распределены между тремя микроконтроллерами, режим энергопо-
требления которых устанавливался с учетом длительности пребывания в активном режиме. Дальнейшее сокращение объема источников питания достигается за счет применения источников с большой удельной электрической емкостью. Заметную положительную роль в сокращении размеров играет также использование при изготовлении электроники только малогабаритных электронных компонентов.
Структурная схема регистратора приведена на рис. 2 [8]. Как следует из рисунка, она представляет собой 3-микроконтроллерную систему с разделенными функциями. Микроконтроллер MCU1 является часами реального времени, основная задача которого - формирование временной сетки, определяющей дискретность производства измерений, и управление режимами энергопотребления остальных микроконтроллеров. В качестве задающего генератора MCU2 используется кварцевый резонатор датчика давления (КРДД). Его частота обычно находится в интервале частот 30...50 кГц, а девиация частоты, вызванная изменением давления, составляет примерно 3 кГц. Подобное его подключение позволяет в нужные моменты сформировать импульс длительностью около 0,2.0,21 с, который определяется частотой генерации КРДД, т. е. регистрируемым давлением, и измеряется микроконтроллером MCU3 с дискретностью 0,125 мкс. Измерение температуры производится встроенным датчиком MCU1, накопление данных - в SRAM MCU3 (16 KB).
Обращение к энергонезависимой памяти (блок NS) для записи (флеш-карта micro SD MMC или аналогичная, 1...2 GB) выполняется в зависимости от дискретности измерения (0,5/1 с), с периодичностью 1/2 часа. Среднее потребление тока системой составляет 0,81 мА, хотя в моменты записи данных на флеш-карту MMC его величина может достигать 40 мА.
Предварительная подготовка флеш-карты (установка рабочих констант, определяющих режим работы регистратора и параметры пьезорезонансного датчика) производится в ПК с помощью разработанной компьютерной программы. Ее рабочее окно, с активной вкладкой «Шаблон», приведено на рис. 3. В этом режиме работы программы производится не только формирование служебного файла и его запись, но и разметка адресного пространства карты, а также внесение дополнительной служебной информации. Блоком информации (файлом) является запись в течение суток. Предусмотрена возможность записи до 500 «суточных» файлов.
Рис. 2. Структурная схема электронного блока: MCU1 - микроконтроллер часов реального времени; MCU2 - измерительный микроконтроллер кварцевого резонатора датчика давления (КРДД); MCU3 - микроконтроллер управления; NS - энергонезависимая память; DA1 - блок обработки акустических команд
і Шаблон і Обработка Коррекция
Сохранить по адресу:
f Л
Файловые шаблоны на 1 суток Параметры активации:
Дата 15.12.10
Время 10:30:00 ;
Номер Режим
выполнить
Рис. 3. Внешний вид рабочего окна программы. Вкладка «Шаблон»
После завершения автономной работы АРВ считывание информации с карты производится в ПК этой же программой с использованием вкладки «Обработка». Здесь, наряду со считыванием, предусмотрены также преобразование «суточных» файлов из двоичного формата в текстовый, а также формирование файлов произвольного объема путем объединения или деления исходных текстовых файлов. Здесь же при необходимости может быть произведена коррекция данных на нелинейность датчика, его температурную нестабильность, позволяющая значительно повысить точность измерения давления. Для выполнения этой операции необходимо наличие файла коррекции, который формируется этой же программой (вкладка «Коррекция») при наличии соответствующих данных по калибровке прибора.
Предложенная форма записи данных более удобна, чем применяемая в АРВ - К12 в виде одного файла за весь период наблюдения размером до 500 Мбайт, поскольку обработка больших файлов, даже на современных персональных компьютерах, затруднена. К тому же обычно анализируются только представляющие интерес отдельные фрагменты записи. Кроме того, в случае сбоя при вводе в компьютер такого файла приходится повторять процесс ввода, который продолжается около 6 часов, и не исключена потеря информации за весь период наблюдения.
Формирование напряжений необходимого уровня для питания элементов схемы производится блоком PS (источник питания). При необходимости подъема регистратора по акустическому сигналу в нем устанавливается микрофон BM1, подключенный к блоку DA1, в котором производится усиление сигнала и его предварительная обработка. Учитывая, что для обеспечения потребления тока в 1 мА в течение 1 года требуется емкость источника около 8,8 Ач, то используемый в конструкции литиевый элемент (типоразмер D, емкость
16 Ач) с большим запасом обеспечивает энергетические нужды регистратора. Благодаря принятым мерам удалось поместить устройство, включающее в себя блок электроники, источник питания и датчик, в корпусе объемом около 0,35 дм3. Внешний вид блока электроники АРВ вместе с источником питания приведен на рис. 4.
Другой затратной процедурой, наряду с постановкой донных приборов, является их снятие после завершения работы. Обычно подъем донных приборов производится посредством траления кошкой при наличии соответствующей системы, достаточно сложной по конструкции и установке, плавучих донных перемычек якорной системы регистратора либо с помощью водолазов. Следует отметить, что в зарубежных конструкциях аналогичного назначения уже давно используется процедура их самостоятельного всплытия с применением размыкателей балласта, управляемых таймером либо внешним акустическим сигналом. Подобный метод уменьшает затраты не только на снятие, но и на постановку прибора вследствие упрощения якорной системы до одной грузовой платформы.
В настоящей конструкции эта задача решается за счет применения второго, «мокрого» корпуса (объем около 1 дм3), используемого в качестве защитного пенала, из которого «сухой» корпус (регистратор) выталкивается сжатым газом с одновременным наполнением пневматического буя небольших размеров. Все дополнительные элементы системы (баллончик со сжиженным газом (СО2, 8-12 гр.), пневматический буй, дополнительная плавучесть, бобина с буйрепом) располагаются в «мокром» корпусе.
Управление моментом всплытия производится либо таймером, либо внешним акустическим сигналом. Способ управления всплытием задается при инициализации регистратора в ходе его подготовки к погружению и, в основном, определяется степенью доступности района его размещения. В удаленных районах, для которых почти невозможно предугадать точное время прибытия экспедиции для снятия регистратора, целесообразнее использовать подъем по акустическому сигналу.
Разработанные регистраторы волнения, оснащенные первичным пьезорезонансным преобразователем РКМА-Р-4 фирмы «СКТБ ЭлПА», имеют следующие характеристики:
Рис. 4. Внешний вид электронного блока регистратора волнения
Рис. 5. Временной ход колебаний уровня моря с секундной дискретностью измерений с 29 ноября по 29 декабря 2010 г.
- диапазон измерения давления от 0 до 60 м вод. ст.;
- погрешность измерения давления 0,05 % от предела измерения;
- разрешающая способность по давлению 0,005 % от предела измерения;
- погрешность измерения температуры..........0,5 %;
- дискретность измерений...................1/0,5 с;
- емкость флеш-карты.....................1...2 ГБ;
- литиевый источник питания [D]ER34615-FT 3,6V;
- время автономной работы..........450/360 суток.
Макетный экземпляр экономичного регистратора
волнения был установлен на тестовую запись в ковше пос. Охотское (юго-восточное побережье о. Сахалин) в конце ноября 2010 г. Запись колебаний уровня производилась с дискретностью 1 с. Полученные данные (рис. 5) были введены в персональный компьютер, из них был вычтен предвычисленный прилив и полученный остаточный ряд подвергнут спектральному анализу. Сравнение результатов анализа с аналогичными сведениями для прибора АРВ-К12, ранее установленного там же, показало соответствие полученных спектров и подтвердило надежную работу регистратора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дыхан Б.Д., Жак В.М., Куликов Е.А. и др. Первая регистрация цунами в открытом океане // ДАН СССР. 1981. Т. 257. № 5. С. 1088-1092.
2. Жак В.М., Соловьев С.Л. Дистанционная регистрация слабых волн типа цунами на шельфе Курильских островов // Докл. АН СССР. 1971. Т. 198. № 4. С. 816-817.
3. Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Исследование длинноволновых движений в южной части Курильской гряды // Морские
исследования и технологии изучения природы Мирового океана. Владивосток: ДВО РАН, 2005. Вып. 1. С. 69-81.
Ковалев П.Д., Шевченко Г.В., Ковалев Д.П. Экспериментальные исследования цунами в порту г. Холмск // Известия АИН им. А.М. Прохорова. Прикладная математика и механика. Н. Новгород: НГТУ, 2007. Т. 20. С. 68-79.
Ковалев П.Д., Шевченко Г.В. Экспериментальные исследования длинноволновых процессов на северо-западном шельфе Тихого океана. Владивосток: Дальнаука, 2008. 216 с.
Левин Б.В., Чернов А.Г., Шевченко Г.В. и др. Первые результаты регистрации длинных волн в диапазоне периодов цунами в районе Курильской гряды на разнесенной сети станций // ДАН. 2009. Т. 427. № 2. С. 239-244.
Лухнов А.О., Чернов А.Г., Куркин А.А., Полухина О.Е. Проблемы создания аппаратно-программного комплекса для исследования гидродинамики шельфовой зоны // Известия АИН им. А.М. Прохорова. Прикладная математика и механика. Н. Новгород: НГТУ, 2006. Т. 18. С. 120-123.
Иволгин В.И., Ковалев Д.П., Ковалев П.Д. Экономичный донный регистратор волнения моря // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: труды Х Всероссийской конференции. СПб,: Наука, 2010. С. 255-258.
Поступила в редакцию 12 апреля 2011 г.
Ivolgin V.I., Kovalyov D.P., Kovalyov P.D. THE ECONOMY RECORDER OF THE SEA WAVES
The basic characteristics and features of a developed series of the bottom recorders are considered in the paper that allows reducing the expenses on expeditions and investigations. This aim is achieved due to decreases of devices cost, increases in a resource of autonomous functioning up to 1 year, applications of a surfacing mode both on command of internal timer and external acoustic signal if it is needed.
Key words: measurements; microcontrollers; sea waves.
