Методы наблюдений за течениями.
Исследования гидродинамических процессов в Мировом океане основываются на прямых и косвенных методах измерения скорости потоков. Выбор того или иного метода измерения параметров течений и характеристик измерительной аппаратуры в первую очередь определяется целью исследований для необходимого диапазона масштабов и способа описания движения. В зависимости от этого используются измерения в фиксированной точке или разнесенные по пространству, выбирается количественный и качественный состав аппаратуры.
В настоящее время существует много способов измерений параметров течений, основанных на различных физических принципах. В соответствии с этими принципами можно выделить несколько основных методов измерений характеристик течений на различных глубинах, в поверхностном и придонном слоях: 1) навигационный; 2) поплавочный; 3) гидродинамический (вертушечный); 4) электромагнитный; 5) термодинамический; 6) акустические; 7) оптические; 8) вихревой; 9) метод меток; 10) электрохимический; 11) неконтактные.
Навигационный метод долгое время был одним из самых распространенных методов наблюдений за течениями. Основные сведения о поверхностных течениях Мирового океана получены путем обработки массовых навигационных определений, заключающихся в сопоставлении счислимых и обсервованных мест судов. Счислимое место судна находится путем прокладки на карте истинного курса судна и пройденного расстояния по лагу. Обсервованное место определяется по данным наблюдений за небесными светилами с помощью секстанта или радиометрических методов: радиопеленгования, радиолокации, спутниковой навигационной системы. Направление сноса определяется направлением вектора, соединяющего счислимое место с обсервованным, а скорость — путем деления расстояния между ними на промежуток времени между обсервациями t
,
где 
-вектор течений,
,
где 
-вектор сноса течением за промежуток времени t.
Средняя квадратическая ошибка вычисленных характеристик течений складывается из соответствующих ошибок положения счислимых и обсервованных точек
,
где 
– средние квадратические ошибки счисления и обсерваций в точках отшествия и пришествия соответственно.
При статистической обработке большого числа наблюдений (иногда достигающего нескольких тысяч) удается исключить неизбежные ошибки, связанные с несовершенством применявшихся в прошлом навигационных приборов и с неточностью метода.
Поплавочный метод измерения течений основан на определении положения в пространстве и во времени поплавков, движущихся с поверхностными водами в потоке. Для измерения характеристик течений используются различного типа поплавки, которые могут запускаться как на водную поверхность, так и на требуемую глубину (поплавки нейтральной плавучести). Скорость течений принимается равной скорости движения поплавка, определяемой по времени прохождения им определенного расстояния. Она является осредненной для участка потока по траектории движения поплавка. Это допущение значительно упрощает определение скорости, хотя, как известно, тело, плывущее по течению, движется быстрее окружающих его частиц воды. Это объясняется наличием неуравновешенной проекции веса тела на ось движения. Рассмотрим силы, действующие на тело, плывущее в состоянии безразличного равновесия. Расположим центр тяжести тела в начале прямоугольной системы координат, а ось абсцисс направим по точению параллельно поверхности воды. Подъемная сила действует по нормали к водной поверхности, а ее проекция на ось движения равна нулю. Сила тяжести направлена вертикально вниз. Вес тела:
,
где 
– удельный вес; V– объем тела. Проекция веса тела на ось движения:
,
где 
– угол наклона водной поверхности к горизонту. Сила 
и вызывает ускорение плывущего тела, которое уменьшается за счет сопротивления воды. Поэтому тело, находящееся в потоке, приобретает скорость от нуля до значения, несколько превышающего скорость течения воды, т.е. пока сила сопротивления воды R не уравновесит движущую силу. Кроме того, на поплавок, находящийся на поверхности воды, воздействуют ветер и волнение. Поэтому габариты, плавучесть и загрузка буев должны быть такими, чтобы их подводная парусность во много раз превосходила парусность надводной части для сведения к минимуму влияния ветра на движение буя.
Общей особенностью поплавочного метода является получение данных в такой системе координат, когда за независимые переменные берутся начальные координаты x0 и прошедшее с начального момента время 
. Текущие координаты определяются следующим образом:
Скорость течения определяется как производная по времени от координаты:
Исследование течений с помощью поплавков осуществляется двумя способами: непосредственным наблюдением за перемещением поплавков и массовым разбрасыванием маркированных поплавков, подбираемых впоследствии на побережье или другими судами (бутылочная почта).
При первом способе используются поверхностные поплавки, поплавки нейтральной плавучести, поплавки с подводными парусами, случайно плавающие предметы и т.п. Эти средства обладают свойствами (или снабжаются специальными устройствами) активного и пассивного действия, позволяющими определять их местоположение в любой момент времени с помощью судовых навигационных систем сопровождающего судна или системы спутникового слежения за дрейфом буев.
Поплавки нейтральной плавучести обладают нулевой плавучестью в слое воды с определенной плотностью, что позволяет им дрейфовать в этом слое в течение длительного времени. Местоположение их определяется либо с судна, либо автономными акустическими станциями, либо специальной акустической системой, позволяющей определять координаты поплавков на больших расстояниях. Последние получили название поплавков СОФАР по названию береговой системы станций для дальнего наблюдения за источниками акустических сигналов.
Гидродинамический метод основан на измерении давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело. Между скоростью течения и давлением, оказываемым потоком на тело, существует зависимость:
,
где P- давление потока на тело; Cm– коэффициент, зависящий от формы тела и числа Рейнольдса; ρ– плотность воды; ST– площадь проекции на плоскость, нормальную направлению потока.
Отсюда:
,
т.е., измерив давление потока на тело, можно определить и скорость течения. Но этот метод в своем прямом приложении не нашел широкого применения, так как обладает существенно нелинейной характеристикой преобразования в диапазоне скоростей течения 0,02—2 м/с.
Наибольшее распространение среди датчиков гидродинамического типа нашли так называемые вертушечные. Здесь в качестве чувствительного элемента используются: ротор Савониуса, лопастной винт (пропеллер), крылатки, крест Робинсона, винт Архимеда, причем чаще всего первые два типа. Принцип их действия основан на создании набегающим потоком воды на чувствительном элементе гидродинамического момента, приводящего к его вращению. Скорость вращения датчика пропорциональна скорости потока, и наблюдается практически линейная зависимость между скоростью потока и числом оборотов датчика n, т.е. U=f(n).
Опыт практического использования различных типов датчиков скоростей течения с учетом возможных колебаний из-за турбулентных и волновых воздействий показал, что наилучшими свойствами для измерения характеристик течений обладают реверсивные датчики. Этот тип датчиков автоматически исключает компоненты скорости с периодами меньше, чем время экспозиции (время осреднения характеристик течения прибором). Нереверсивные датчики независимо от скорости и в некоторых случаях от направления потока вращаются только в одну сторону. Наиболее распространенными и наиболее простыми по конструкции реверсивными датчиками скорости являются различные виды пропеллеров. Из всех типов датчиков пропеллер и винт Архимеда обладают наименьшей инерционностью 0,5—10 с, начальная скорость их от 0,005 до 0,01 м/с и им необходимо ориентирование по потоку.
Ротор Савониуса и крест Робинсона обладают диаграммой: направленности, близкой к круговой, т.е. им не нужно ориентирование по потоку. Они обладают такой же начальной скоростью, что и пропеллеры, но до скорости 0,03 м/с имеют нелинейный начальный участок характеристики числа оборотов в зависимости от скорости потока. Ротор Савониуса, широко используемый в измерительных системах, подвержен биологическим обрастаниям и обладает заметным гистерезисом. При резком снижении скорости потока скорость вращения ротора уменьшается с большим запаздыванием, а при увеличении скорости показания ротора близки к изменению скорости потока.
Диапазон измерений скоростей течений датчиками вертушечного типа лежит в пределах 0,005—3 м/с. Погрешность измерений механическими вертушками определяется в основном качеством исполнения и в лучших образцах не превышает 5 %.
Для анализа уравнения движения лопастного винта, основанного на зависимости U=f(n), можно использовать известный закон механики: для вращающейся системы произведение момента механической инерции системы относительно оси вращения на угловое ускорение равно сумме моментов сил действующих на систему. Для вертушки уравнение движения лопастного винта в общем виде представляется как:
,
где 
– угловая скорость; 
– сумма моментов сил, приложенных к лопастному винту:
,
где 
– движущий момент; 
– момент сил сопротивления; 
– момент сил гидродинамического сопротивления; 
– момент сил трения в опорах; 
– момент реакции регистрирующей системы. Отсюда ясно, что точность измерений скорости течений зависит от плотности среды, условий обтекания, структуры и флуктуации течения, т.е. зависимость нелинейна и количественно может быть оценена только при рассмотрении малых отклонений от установившегося состояния.
Рассмотрим зависимость U=f(n) без учета силы трения в механизме прибора и гидродинамических сопротивлений при его обтекании. Найдем связь между n и U для пропеллеров, как наиболее распространенного типа, с горизонтальной и вертикальной осями вращения. За время dt частица жидкости, движущаяся параллельно горизонтальной оси вращения, переместится на расстояние dl=Udt. Эта же частица жидкости за то же время dt, встретив на своем пути лопасть пропеллера, переместится по окружности на расстояние dlk=2πrncosα, где r– расстояние от центра лопасти до оси вращения; α– угол наклона лопасти к плоскости, перпендикулярной оси вращения. В первом приближении dl=dlk, поэтому:
Udt=2πrncosα
или
U=2πrncosα/dt.
Примем
2πrcosα/dt=KГ
и получим
U=KГn,
где KГ-геометрический шаг лопастного винта. Геометрический шаг в основном определяет чувствительность преобразования:
S≈KГ(1-Sn),
где KГ – так называемое скольжение, изменяющееся для различных конструкций винтов от 0,2 до 0,6.
Работа чашечного ротора обусловлена различием в коэффициентах сопротивления его чашек. Гидродинамическое давление, оказываемое потоком на чашки, обращенные своей внешней поверхностью к потоку:
P1=0.5K1ρS(U Uч)2,
а на чашки, обращенные внутренней поверхностью к потоку:
P2=0.5K2ρS(U-Uч)2,
где K1 и K2– коэффициенты сопротивления чашек, причем K1<K2; S– площадь проекции чашки; Uч– линейная скорость движения центра чашки. При установившемся вращении лопастного винта P1=P2, следовательно:
K1(U Uч)2=K2(U-Uч)2.
Экспериментальные исследования чашек различных форм и размеров (по данным Л.Г.Качурина) показали, что гидродинамические коэффициенты сопротивления существенно зависят от форм и размеров чашек, но в любом случае их отношение остается примерно постоянным, близким к значению K1/K2=4, а коэффициент лопастного винта σ=U/Uч=U/(rω) (где ω– угловая скорость при установившемся движении чашек без трения) примерно равен 3. Это соотношение используется при приближенном расчете параметров ротора как чашечного типа, так и винтового. Экспериментом также доказано, что в турбулентном потоке реальная вертушка в среднем завышает скорость, притом тем больше, чем сильнее пульсация течения.
Анализ графика зависимости U=f(n) позволяет сделать следующие выводы. Под влиянием гидродинамических и механических сопротивлений функция U=f(n) принимает вид кривой. Наиболее заметно отклонение при малых скоростях. Полуэмпирическое уравнение в форме гиперболы, охватывающее весь диапазон работы вертушек, имеет вид:
(1),
где a,b,c– параметры, определяющие работу вертушки и гидрофизические условия.
При n=0 U= 
=U0– отрезок на оси U, определяющий точку, в которой начинается кривая. В случае, когда U0»U, можно записать:
,
где учитывается не только геометрия лопастного винта, но и сопротивление его движению.
Основными рабочими характеристиками вертушек, являются:
– начальная скорость U0– наименьшая скорость набегающего на вертушку потока, при которой начинает неравномерно вращаться ее лопастной винт;
– нижний предел применимости вертушек- скорость Uн.п. выше которой и рекомендуется использовать вертушки. При скоростях от U0 до Uн.п. показания вертушек неустойчивы, поэтому погрешности измерений в этом пределе могут быть значительными (≥10%);
– критическая скорость Uк– скорость потока, выше которой влияние механических сопротивлений на число оборотов лопастного винта становится стабильным и незначительным, т.е. при U≥Uк dU/dn=const. В докритической области на показания вертушек существенно влияют износ подшипников, попадание твердых частиц в механизм прибора и т.п.;
– верхний предел использования вертушек- скорость Uв.п, выше которой не всегда можно рекомендовать применение вертушек. При исследовании функции U=f(n) в воздушном потоке оказалось, что при больших скоростях потока нарушается зависимость (1);
– инерционность вертушек- способность их лопастного винта изменять свою скорость вращения соответственно изменению скорости потока.
При измерении датчиками вертушечного типа сложной картины течений, возникающей из-за воздействия ветровых и внутренних волн, вихревых течений и турбулентности на стационарный поток, возникает значительная погрешность. Кроме того, методика измерений течений на АБС или с борта судна не позволяет фиксировать прибор в определенной точке пространства. Перемещения прибора на тросе с несущим буем и с судном датчик регистрирует как изменение скорости. Это приводит к появлению погрешностей, особенно проявляющихся при нахождении прибора в слое воды, в котором сказывается влияние ветрового волнения.
При измерении характеристик течения реверсивными датчиками (пропеллер, винт Архимеда) требуется их ориентирование по потоку, т.е. их ось вращения должна совпадать с генеральным направлением течения. Для достижения этой цели используется развитое хвостовое оперение, устанавливаемое на самом корпусе прибора, на котором неподвижно закреплен чувствительный элемент. Такая система используется в измерителях течения типа ВММ, БПВ, ДИСК, «Поток» и т.д. В последнее время для решения этой задачи стали использовать двухкомпонентную систему преобразователей скорости течения. В таких приборах используют два пропеллера, оси вращения которых располагаются перпендикулярно друг другу. В результате один из них измеряет составляющую U1, а другой- ортогональную составляющую U2 скорости течения. Отсюда истинная скорость:
.
Подобные двухкомпонентные системы используются в измерителях АЦИТ, VMCM и других.
В океанологической практике нашли широкое применение микровертушки с индуктивным или резистивным преобразователями выходного сигнала. Они обычно используются для измерения мгновенных скоростей потока и диапазоне 0,04-10м/с с погрешностью 2-5% и постоянной времени 0,01-0,2с. Вертушка с индуктивным преобразователем, характеризующимся сравнительно высокими стабильностью и чувствительностью, измеряет скорость в диапазоне 0,1-2м/с с погрешностью 3%. Диаметр лопастного винта у такой вертушки 10мм. Специальный цифровой преобразователь воспринимает импульсы, амплитуда которых пропорциональна скорости вращения ротора. Измеритель пульсации скорости потока с микровертушечным датчиком регистрирует среднюю скорость и ее медленные пульсации. Диапазон частот, охватываемый измерителем, находится в пределах 9-12,5Гц при скорости потока 1м/с и определяется постоянной времени самого датчика. Подобные измерители пульсаций скорости имеют линейную градуированную характеристику и отличаются конструктивной и структурной простотой, а также надежностью.
Электромагнитный метод основан на том, что в потоке морской воды, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения частиц воды относительно магнитного поля. Наведенную ЭДС(E), согласно закону Фарадея, можно выразить как:
E=BLUcosα·10-8
где B– магнитная индукция; L– расстояние между электродами (база измерения); U– скорость движения воды; α– угол между направлением потока и магнитным полем.
В качестве магнитного поля используются как вертикальная составляющая магнитного поля Земли, так и искусственно созданное постоянное или переменное магнитное поле. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн соизмерима со скоростью света, электромагнитные измерители скорости течения являются практически безынерционными, и их частотные свойства в верхнем диапазоне частот определяются в основном пространственной разрешающей способностью датчиков, т.е. в принципе с их помощью можно измерять средние и пульсационные значения скорости. При этом значение ЭДС определяется путем измерения разности потенциалов между двумя электродами, расположенными в магнитном поле по линии, перпендикулярной векторам магнитной индукдии и скорости потока.
При измерении течений в поверхностном слое воды можно использовать естественное магнитное поле Земли. В этом случае проводником, в котором индуцируется ЭДС, будет являться морская вода и одновременно участок кабеля между двумя неполяризующимися электродами, который буксируется за судном. Эту ЭДС можно представить как:
E=LUHz,
где Hz– вертикальная составляющая магнитного поля Земли.
Истинные значения скорости и направления течения определяются по проекциям с судна на двух взаимно перпендикулярных галсах. Но этот метод, несмотря на свою простоту, не получил широкого распространения из-за трудности интерпретации результатов измерений. В подобных измерителях скорость течения и выходной сигнал связаны сложной зависимостью, в которой задействованы глубина, вертикальный профиль скорости, электропроводимость грунта дна (при небольших глубинах), положения буксируемых электродов. На результаты измерений также оказывают влияние и магнитные возмущения. Все эти факторы трудно поддаются учету. Точность таких измерителей обычно не превышает 20-30%.
Многие трудности можно преодолеть, если измерение скорости течения проводить в искусственном магнитном поле, индуцируемом катушками подмагничивания или создаваемом постоянным магнитом. Принципиальная схема подобных измерителей была предложена еще самим Фарадеем.
Использование постоянного магнитного поля осложнено поляризацией электродов, особенно при измерении низкочастотных составляющих потока. Применение переменного магнитного ноля позволяет избежать поляризации, а также использовать емкостные электроды, не имеющие непосредственного контакта с водой. Пороговая чувствительность подобных измерителей составляет 10-3-3·10-3м/с, а частотный диапазон охватывает несколько килогерц. Их динамический диапазон в основном зависит от гидравлической характеристики датчика, определяемой его формой.
Измерители с искусственным магнитным полем могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными. Первые должны быть ориентированы по потоку. Вторые состоят из обтекаемого корпуса (шар, диск, цилиндр) из изоляционного материала, катушки возбуждения магнитного поля и двух пар электродов, расположенных с противоположных сторон. В случае, когда поток совпадает с линией, проходящей через два расположенных противоположно электрода, наведенная на них ЭДС равна нулю, а на двух других имеет наибольшее значение. Если поток направлен под углом к осям координат, проходящим через электроды, то ЭДС, измеряемая обеими парами электродов, будет пропорциональна проекциям модуля скорости и прибор позволяет измерять мгновенные значения скорости.
Аппаратура подобного типа позволяет производить измерения средней скорости течения в диапазоне 10-2-10м/с, мгновенной скорости в диапазоне 10-3-4·10-1м/с в частотном диапазоне 1-40Гц. При уровне собственных шумов в пределах 8·10-4м/с погрешность измерения составляет 3% при постоянной времени не более 1с. Основным препятствием к применению измерителей скорости течений, использующих переменное магнитное поле, является сравнительно большое потребление энергии.
Термодинамический метод основан на зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости течения. В этом случае используется либо теплопередача от зонда к потоку (термоанемометр), либо от зонда к зонду через поток. Термодинамический метод используется в основном для исследования пульсационных характеристик течений. Между зондом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого в основном зависит от скорости течения. Впервые эта зависимость была использована для прибора, измеряющего скорость ветра (термоанемометр Кинга, 1913г.). Затем принцип теплообмена был использован для измерения скорости водного потока.
Наибольшее распространение в океанологической практике нашли проволочные, пленочные и гидрорезисторные термоанемометры. В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) проволочного датчика используется тонкая (диаметром 2-10мкм) нить из платины или сплава платины с иридием и вольфрамом. По принципу работы различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В первых приборах электрический ток поддерживается постоянным, при этом температура, а следовательно, и электрическое сопротивление изменяются в зависимости от импульсационной скорости. Во вторых- постоянными остаются температура, а значит, и сопротивление, при этом изменяющейся величиной является электрический ток. Здесь ЧЭ можно включить в мостовую схему. Второй способ наиболее распространен в океанологии.
В поток помещают ЧЭ в виде нити и пропускают через него ток, нагревающий его. В потоке нить охлаждается в зависимости от скорости потока, что изменяет ее электрическое сопротивление. Пусть нить перпендикулярна потоку, жидкость несжимаема, разность температур нити бесконечно мала, число Прандтля постоянно, тогда количество тепла Q, теряемого нитью в единицу времени, оценивается уравнением Кинга:
,
где L– длина нити; ΔT=Tн-T; Tн– температура нити; T– температура воды в потоке; k– коэффициент теплопроводности; ρ– плотность воды; cp– коэффициент теплоемкости; d– диаметр нити. В безразмерной форме эта зависимость примет вид:
,
где A и B– константы; Nu=Q/(πLkΔT)– число Нуссельта; Re=Uρd/μ– число Рейнольдса. Тепло, теряемое нитью, компенсируется электроподогревом, который контролируется и служит средством измерения количества этого тепла. В практических расчетах потерю тепла находят из уравнения теплового равновесия:
,
где IE– ток через ЧЭ с сопротивлением R; S– площадь поверхности охлаждаемого тела; α– коэффициент теплопередачи, являющийся функцией скорости потока, показатель теплового воздействия среды на тело. Для проволочных датчиков:
,
где c и m– коэффициенты, зависящие от числа Рейнольдса и геометрических размеров датчиков; ν- коэффициент молекулярной вязкости. Для скорости потока до 80м/с kc=0,015-0,03; c=0,82 и m=0,64.
В современных термоанемометрах вместо проволоки широко используется платиновая пленка, наносимая тонким слоем на подложку из кварцевого стекла в виде конуса или клина. Протекаемый через пленку ток, поддерживаемый постоянным, нагревает ее и создает определенную разность температур между датчиком и окружающей средой. В воде эта разность обычно составляет 10-20°C. Термоанемометры пленочного типа отличаются малым уровнем шумов. Среднеквадратический уровень шумов, приведенный к единице скорости, в диапазоне частот от 1 до 250Гц составляет 12·10-5м/с.
В другом типе термоанемометрического измерителя используется гидрорезисторный датчик, ЧЭ которого является объем воды, заключенный между центральным (точка диаметром 0,5мм) и кольцевым (диаметр до 9мм) электродами. Электроды расположены на полусферической поверхности и включены в схему измерительного генератора, обеспечивающего передачу через пространство между электродами мощности, достаточной для нагрева измерительного объема. Этот объем нагревается непрерывно, и изменение температуры некоторого эквивалентного объема воды вблизи точечного электрода вызывает соответствующее изменение электропроводимости. Изменение добротности измерительного генератора при флуктуациях электропроводимости объема воды между электродами модулирует амплитуду напряжения на выходе измерительного генератора. Таким образом, амплитудная модуляция этого напряжения содержит в себе информацию о скорости набегания потока на ЧЭ датчика, включая пульсации набегающего потока. Минимальный размер пульсаций, измеряемых подобной аппаратурой, составляет около 2·10-3м/с. Подобный датчик обладает широким частотным диапазоном (1-1000Гц). Подобно термоанемометрическим измерителям с пленочным ЧЭ, гидрорезисторные датчики помимо пульсаций скорости потока одновременно могут измерять пульсации температуры и в меньшей степени пульсации электропроводимости.
С помощью термоанемометров при скоростях набегающего потока до 3·10-1м/с удается получить чувствительность 7·10-4м/с. Приборы подобного типа могут измерять скорости течений в широких пределах от 0,01 до 0,15м/с с погрешностью 2-5%, а их информативность в принципе не зависит от средней скорости потока. К недостаткам термоанемометров следует отнести нелинейность градуировочной характеристики; влияние геометрических размеров датчиков на результаты измерений; зависимость результатов измерений от коррозии, обрастания, поляризационных эффектов и тому подобных причин, что снижает надежность термоанемометров и ограничивает иногда до нескольких часов время их использования.
Акустические методы измерения характеристик течений начали использоваться в океанологии где-то с середины 60-х годов. Акустические методы обладают высокой точностью и чувствительностью, что особенно важно при исследовании процессов турбулентности и малых скоростей течений. Большинство акустических методов основано на принципе измерения скорости прохождения ультразвука в морской воде, ибо скорость его распространения относительно прибора включает в себя и составляющую скорости движения исследуемой среды, вектор которой совпадает с вектором движения звуковой волны. Известно, что в турбулентном потоке, а это обычная картина для Мирового океана, существуют как флуктуации самой среды, так и, например, неоднородности температуры и различных концентраций. А температурные неоднородности, вызывающие колебания скорости звука, могут на порядок изменить измеряемую величину. Поэтому измерение скорости звука в одном направлении в океанологической практике из-за возникающих погрешностей малоэффективно. Это вызывает необходимость использовать приборы, измеряющие разность времени прохождения ультразвука между излучателем и приемником, движущихся в противоположных направлениях, чтобы свести к минимуму влияние колебаний скорости звука на точность измерения скорости потока. Для исследования мелкомасштабной турбулентности используется метод Доплера- регистрируется сдвиг частоты акустических колебаний за счет различных неоднородностей среды.
В измерителях подобного типа обычно применяют как минимум двух или даже трехкомпонентные датчики скорости.
Экспериментальные исследования различных конструкций акустических датчиков скорости потока (по И.С.Ковчину) показали, что их выходные сигналы в основном соответствуют косинусной диаграмме направленности при угле между направлениями акустических сигналов и водного потока не менее 25º. Поэтому направление акустических сигналов принудительно ориентируют под углом 45° к направлению измеряемой составляющей скорости, для чего используют акустические отражатели, например, из титанового сплава.
Подобная схема используется в конструкции акустического преобразователя измерителя течений АСМ-2. В качестве приемопередатчиков обычно используются пьезоэлектрические пластины. Так, в АСМ-2 они имеют диаметр 9,5мм и высоту 1мм. Пьезоэлектрические дисковые преобразователи размещены на концах литых алюминиевых кронштейнов на расстоянии d=11мм. Собственный резонанс такой конструкции близок, к несущей частоте fизл=1,605МГц.
Рассмотрим принцип действия подобной аппаратуры. Пусть c-скорость распространения ультразвука в неподвижной среде; U– скорость течения; T1 и T2– время прохождения импульса по и против течения соответственно на расстоянии базы L– между излучателем и приемником. Тогда:
,
а разность времени прохождения сигнала в разных направлениях:
является функцией c и U. При c=const значения ΔT однозначно определяют U. Но в реальных условиях скорость звука не постоянна и зависит от внешних факторов (температура, соленость морской воды и т.д.). Кроме того, для получения достаточной точности определения скорости потока необходимо измерять временные задержки с погрешностью не хуже ±10-9с. Для избежания подобных явлений удобнее перейти от уравнения для приращения времени ΔT к уравнению для частоты принимаемых ультразвуковых сигналов. Сообразуясь с T1 и T2, имеем:
f1=1/T1=(c U)/L, f2=1/T2=(c-U)/L,
где f1 и f2– частоты сигналов, распространившихся по и против течения соответственно. Отсюда:
Δf=f1-f2=2U/L.
Выражение подчеркивает однозначную зависимость разности частот Δf от скорости потока U и лежит в основе частотного метода измерения скорости распространения ультразвука. Быстродействие прибора определяется необходимой точностью измерений. При отсчете разности частот через 1с чувствительность измерений скорости составляет 4·10-2м/с. Уменьшая дискретность опроса или увеличивая выходную частоту, можно повысить чувствительность. Объединив в одном устройстве несколько подобных измерителей можно одновременно измерить различные составляющие скорости. Чувствительность f, достигнутая в этих приборах, составляет 200кГц; df/dU=300Гц/(см·с).
При использовании фазовых методов измеряется разность фаз (время прихода) двух встречных акустических импульсов. Если φ1 и φ2– разности фаз между опорным сигналом, снимаемым с генератора, и сигналами, прошедшими по течению и против него соответственно, то:
φ1=ωL/(c U), φ2=ωL/(c-U),
или
φ1=ωL/c ωLU/c2, φ2=ωL/c-ωLU/c2,
а для разности фаз получим
Δφ=φ1-φ2=2ωUL/c2,
где ω=2πf, т.е. чувствительность преобразователя, основанного на измерении скорости распространения ультразвука фазовым методом, пропорциональна частоте ω.
Широко используются и акустические измерители характеристик течения, основанные на определении доплеровского сдвига частоты излученных колебаний. Эффект Доплера заключается в том, что отраженный от перемещающегося объема воды, содержащего в себе множество неоднородностей и различных включений, ультразвуковой сигнал имеет частоту, отличную от излучаемой. Доплеровские преобразователи включают в себя акустические излучатели (И) и приемники (П) с узконаправленными характеристиками. На пересечении акустических лучей и находится объем воды, от которого отраженный сигнал поступает на приемник. Считается, что рассеиватели в рабочем объеме воды, включая планктон, взвеси и газовые пузырьки, соизмеримы или больше по размеру длины волны (λ=0,15мм) и их число достаточно велико. Они стационарны относительно потока и перемещаются вместе с ним. Поэтому отраженный сигнал несет в себе информацию о скорости потока. Оптимальный диапазон частот в доплеровских измерителях лежит в полосе 2-10МГц.
Затухание сигнала на частоте 10МГц составляет 20дБ/м. Использование высоких частот позволяет повысить разрешающую способность измерителя, а также формировать узконаправленные акустические лучи, используя малогабаритные излучатели. Рабочий объем воды располагается на расстоянии 30—60см от излучателя, что исключает внесения искажений в рабочий объем воды корпусом прибора. Сигнал доплеровской частоты проявляется в виде амплитудной модуляции несущей частоты.
Рассматривая расположение датчиков, с учетом соотношения векторов скорости течения и распространения акустического сигнала, можно записать:
fд=f’-f=[(c Ucosβ)/L1-(c-Ucosβ)/L2],
или
fд=U(L1 L2)cosβ/(L1L2)-c(L2-L1)/(L1L2),
где fд – доплеровский сдвиг частоты; f’– частота принимаемого сигнала; f– частота излучаемого сигнала; β– угол между вектором скорости потока и направлением излучатель- приемник. Для реально достижимой точности L1=L2=L и при незначительных изменениях c можно считать:
c(L2-L1)/(L1L2)=0.
Отсюда:
fд=(2U/L)cosβ,
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
§
Поплавки нейтральной плавучести используются для измерения характеристик течения на глубине. Сваллоу впервые в мире использовал поплавок подобного типа, изготовленный из двух труб алюминиевого сплава длиной по 3м. В одной трубе размещались передатчик и блок питания, а вторая труба обеспечивала плавучесть поплавка, способного работать на глубинах до 5000м. Передатчик устройства работал на частоте 10кГц. Методика работы с поплавком Сваллоу заключается в следующем. Перед началом работ на предполагаемом горизонте наблюдений определяется плотность воды путем измерений там температуры и солености. Регулировка плавучести поплавка нейтральной плавучести осуществляется в соответствии с полученной плотностью, после чего поплавок опускается в воду.
Регистрация ультразвукового сигнала производится парой гидрофонов, опускаемых с носа и кормы судна, что позволяет определить скорость и направление перемещения поплавка в потоке на основе разности во времени прихода сигнала, т.е. по расстоянию от поплавка до гидрофонов. Сигналы, принимаемые гидрофонами, регистрируются двухлучевым осциллографом, что позволяет определять запаздывание этих сигналов во времени. По результатам этой регистрации строятся полярная диаграмма запаздывания в зависимости от ориентации судна, которая имеет острый минимум в случае, когда линия, соединяющая гидрофоны, нормальна к направлению на поплавок. Подобные измерения повторяются при каждом изменении координат судна. Местоположение судна определяется с помощью реперного буя, координаты которого известны.
В ИО РАН разработан поплавок нейтральной плавучести, предназначенный для измерения характеристик течений с малотоннажных судов на глубинах до 1000м. Корпус поплавка представляет собой две полусферы с внешним диаметром 207мм, толщиной стенок 9мм и с герметичным фланцевым соединением диаметром 250мм и толщиной каждая по 11мм. Внутри сферы расположены электронная схема акустического маяка и блок питания. В днище нижней полусферы вклеен изнутри двухслойный пьезокристаллический элемент, который служит излучателем акустических сигналов. Автономность работы поплавка- 1 неделя.
Для выведения поплавка на нужную изопикну к нему подвешивают на кольце из магниевого сплава балласт. При погружении в морскую воду магний начинает растворяться, поэтому толщина кольца выбирается в зависимости от заданной автономности, после чего балласт сбрасывается и поплавок всплывает. Слежение за поплавком осуществляется с помощью портативной направленной акустической антенны АО-71М и приемного устройства ПГРК «Латвия». Антенна опускается с борта судна на штанге на глубину, достаточную для кругового обзора под днищем судна. Верхняя часть штанги снабжена поворотным устройством и компасом для определения направления антенны. Дальность акустической связи до 3миль. Определение азимута на поплавок производится путем слухового контроля с точностью ±5°. Местоположение поплавка относительно судна определяется путем взятия крюйс-пеленга.
Своеобразным измерителем профиля течения по глубине является система одноразового использования «Гидробалл» (поплавок-интегратор), состоящая из зондирующего устройства сферической формы, сбрасываемого с судна, и бортового устройства гидроакустического слежения за движением зонда. Горизонтальное смещение зонда при его свободном падении зависит от профиля скорости потока воды. Бортовое устройство системы определяет расстояние от судна до зонда, глубину погружения зонда и направление смещения зонда относительно судна. Система работает до глубины 500м при возможном расстоянии между судном и зондом до 1500м. При скоростях течения более 0,3м/с погрешность измерения скорости составляет ±4·10-2м/с, направления ±10%. Скорость падения зонда примерно 0,36м/с, общее время измерения до глубины 500м- 33мин, чистота замеров- 1с. Зонд также обеспечивает измерение и передачу данных о температуре воды в диапазоне от -3 до 37ºC с погрешностью ±0,25ºC.
В океанологической практике для исследования придонных течений используют донные поплавки Р. И. Грейга и П. М. Вудхеда, обладающие небольшой отрицательной плавучестью. Поплавок Грейга представляет собой квадратную пластмассовую пластинку с отверстием в центре, через которое пропущен эластичный шнур с медным грузом на конце. Касаясь грузом дна, поплавок перемещается по течению. Поплавок Вудхеда грибообразной формы изготовлен из полиэтилена, также снабжен шнуром с грузом. Донные поплавки запускаются с расчетом на то, что при ловле рыбы они могут попасть в орудия лова (при измерениях в открытом море), а при прибрежных наблюдениях могут быть выброшены на берег. Анализ путей и времени перемещения поплавков позволяет судить о характеристиках течения. К недостаткам данного метода следует отнести наличие парусности поплавков, что может изменить направление их движения, и весьма небольшой процент возвращения поплавков.
Наибольшее распространение в океанологической практике нашли непосредственные измерители характеристик течений, чаще всего использующие вертушечный метод. И конечно же, естественней будет начать с наиболее широко используемых у нас в стране до последнего времени вертушки морской модернизированной (ВММ) и первого отечественного серийного образца автономных измерителей течений БПВ-2- самописца Ю.К.Алексеева (буквопечатающая вертушка).
Измерители течений типа ВММ– приборы разового действия, т.е. после получения одного измерения на горизонте наблюдений вертушка поднимается на борт судна для снятия отсчетов и перезарядки.
Вертушка морская модернизированная состоит из литой рамы с вертикальной осью подвеса, обеспечивающей возможность вращения вокруг этой оси. На верхнем конце оси неподвижно укреплен направляющий стержень, имеющий в верхней части прорезь для троса лебедки, в огон которого пропускается винт с барашком. На нижнем конце оси имеется ушко для подвеса поддона, уменьшающего снос прибора течением. На двух консолях рамы закреплен защитный кожух лопастного винта в виде кольца, предохраняющий винт от механических повреждений при работе с вертушкой. Лопастной винт укреплен на трубчатой оси со ступицей, к которой прикреплены четыре спицы с лопастями, расположенными под углом 45º к оси. Ось лопастного винта имеет червяк, с которым с помощью переключающего механизма сцепляется шестерня счетчика оборотов. Переключающий механизм, приводимый в действие посыльными грузиками, вводит шестерню счетчика оборотов в зацепление с червяком лопастного винта в том случае, когда ВММ находится на заданном горизонте, а первый посыльный грузик, опущенный с судна, ударяет по муфте вертикальной оси, при этом срабатывает спусковой механизм, включающий счетчик оборотов.
Через определенный промежуток времени, зависящий от скорости течения, по тросу посылается второй посыльный грузик, выключающий счетчик оборотов, который заключен в прямоугольную коробку и состоит из трех шестеренок со стрелками- указателями (по верхнему циферблату отсчитываются единицы и десятки оборотов, по среднему- сотни, а по нижнему- тысячи оборотов). Над счетчиком оборотов расположена трубка -магазин с запасом латунных шариков диаметром 3мм (20-23шт.). Нижний шарик помещается в одну из трех выемок, находящихся друг от друга под утлом 120° на диске, укрепленном на оси верхней шестеренки счетчика оборотов. По счетчику оборотов получают данные о скорости течения в оборотах в секунду, а затем по градуировочной кривой переходят к скорости в см/с.
Под счетчиком оборотов на кронштейне укреплена компасная коробка. Каждый раз, когда при вращении верхней шестеренки счетчика оборотов и диска под концом трубки -магазина оказывается выемка, в нее попадает один шарик и переносится к отверстию нижней трубки, а из трубки- в компасную коробку, в верхней, открывающейся, крышке которой есть отверстие для прохода шариков. В центре компасной коробки на игле расположена магнитная стрелка, северный конец которой имеет желоб, а в верхней, центральной, части стрелки находится чашечка со сливом в желоб, расположенная под отверстием. Через каждые 33.3 оборота пропеллера в компасную коробку попадает один шарик и по желобу скатывается в один из секторов компасной коробки, разделенной перегородками на 36 секторов по 10°, пронумерованных от 0 до 35. Таким образом, по окончании наблюдений на палубе можно видеть, какие секторы компасной коробки в процессе измерений находились под северным концом магнитной стрелки, т.е. куда было направлено течение. К задней части латунной рамы крепится руль, имеющий съемные наклонные пластины. Лопастной винт в виде пропеллера является наиболее рациональной конструкцией ввиду уменьшения площади лопастей вблизи ступицы. Эта же конструкция является наиболее простой с технологической точки зрения.
Самописец течений БПВ-2– прибор механического типа, предназначенный для автоматического измерения и регистрации скорости и направления на глубинах до 1200м, может использоваться как с борта судна, так и на автономных буйковых станциях. Регистрация получаемой информации (скорость в см/с, направление в десятках градусов) осуществляется на бумажной ленте, запаса которой хватает на 1440 отпечатков скорости и направления течения, датчик скорости- четырехлопастной винт с вертикальной осью вращения и экраном, помещенным в нижней части измерителя. Вращение лопастного винта внутрь корпуса прибора передается с помощью магнитной муфты. Направление течения (ориентация прибора по потоку) измеряется магнитным компасом. Для установки по потоку самописец снабжен двумя развитыми рулевыми пластинами. Дискретность измерений задается заранее с помощью специальных минутных дисков и может быть 5, 10, 15, 20, 30 и 60 мин. Автономность работы прибора при использовании 60-минутного диска- 60 суток.
Имеющиеся модификации измерителей типа БПВ обладают некоторыми различиями в конструкции корпуса прибора; кроме того, БПВ-2р рассчитан на глубины до 250м и снабжен чашечным анемометрическим датчиком скорости также с вертикальной осью; ЭСТ (электрофицированный самописец течений) аналогичен БПВ-2, но снабжен емкими катушками для бумажной ленты, электродвигателем, электрочасами и батареей питания вместо стальной пружины патефонного типа и обычных часов БПВ, что позволяет увеличить автономность работы прибора до одного года; ЭСТ-А подобен ЭСТ, но имеет датчик скорости пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения.
Регистрация информации о скорости и направлении течения осуществляется следующим образом. Через заранее заданные промежутки времени часовой механизм включает прибор в работу. При этом вращение лопастного винта через магнитную муфту и систему шестеренок начинает передаваться диску скорости, угол поворота которого пропорционален числу оборотов лопастного винта.
Одновременно при этом высвобождается магнитная картушка компаса и устанавливается по магнитному меридиану. Через определенный промежуток времени (время экспозиции 190±10с)- индивидуальный для каждого прибора- стопорится картушка компаса и на бумажной ленте отпечатываются значения направления и скорости течения, а диск скорости возвращается в начальное положение. Следовательно, приборы типа БПВ измеряют мгновенное значение направления и осредненный за время экспозиции модуль вектора скорости течения. Диапазон измерения скорости 0,02-1,48м/с. Масса БПВ-2- 49кг, БПВ-2р- 29кг.
Результаты сравнительного эксперимента с лучшей стороны охарактеризовали пропеллер (ЭСТ-А), обеспечивающий наименьшие погрешности за счет волнового компонента скорости и вертикальных колебаний. Экранированные датчики занижают измеренную скорость из-за рыскания прибора. Нереверсивный датчик (БПВ-2р) существенно завышает измеренную скорость за счет вертикальных колебаний и волнового компонента скорости.
Продувка воздушным потоком различных типов датчиков в двух противоположных направлениях (под углом 0 и 180° к диаметральной плоскости самописцев) показала следующее:
– реверсивным (с наименьшими погрешностями) является только датчик самописца ЭСТ-А;
– БПВ-2р по сумме фронтального и противоположно направленного потоков показал удвоенную скорость, что характеризует нереверсивные датчики;
– БПВ-2 не может считаться реверсивным датчиком, так как исключает примерно 40% фронтального потока;
– датчик прибора ЭСТ также не является реверсивным, так как регистрирует только фронтальную половину знакопеременного потока и не регистрирует поток противоположного направления.
Долговременный измеритель течения и температуры МГИ 1301-ДИСК (СКТБ МГИ Украины)– цифровая многоканальная система с записью получаемой информации на магнитную ленту. На верхней крышке корпуса прибора цилиндрической формы массой 55,9 кг расположены датчики скорости течения и температуры (медный ПТС). Выпускаются три модификации прибора: в титановом корпусе для глубин до 6000м, в керамическом- до 3000м и в стеклянном- до 1500м.
Датчик скорости течения- четырехлопастной пропеллер, лопасти которого расположены под углом 45° к продольной оси и закреплены в обтекатель. Для преобразования числа оборотов лопастного винта в электрический сигнал в обод пропеллера впрессованы 12 маленьких магнитов, а в 2-3см от них, в крышке корпуса прибора, размещены магнитодиоды, включенные в мостовую схему с усилителем.
Направление течения определяется магнитным компасом на кардановом подвесе по положению корпуса прибора, который ориентируется в потоке с помощью одной или двух рулевых пластин. В приборе используется потенциометрический тип компаса, картушка которого в момент измерений с помощью соленоида прижимается к обмотке кругового потенциометра.
Сигналы с датчиков скорости, направления и температуры подсчитываются счетно-импульсной схемой за время экспозиции, равное 4 или 8с, а полученные результаты записываются по каждому значению 8-разрядным кодом с дискретностью 0,1; 0,2; 1,0; 5 и 10мин при общем числе циклов измерений до 1250. Дискретность измерений задается заранее.
Скорость течения измеряется в двух диапазонах: 0,025-1,75м/с (чувствительность 0,007м/с, время экспозиции 4с) и 0,025-0,87м/с (чувствительность 0,0035м/с, время экспозиции 8с). Погрешность измерения направления составляет ±5º, чувствительность 1,8º время осреднения направления 2-2,5с. Температура воды измеряется в диапазоне- 2…32 ºC с погрешностью ±0,15 ºC. В качестве источника питания используются восемь аккумуляторов типа КНТК-10. Автономность работы измерителя при дискретности 10мин не менее 80 суток.
Автономный измеритель течений и температуры. «Поток» (ИО РАН) имеет цилиндрический корпус с рулевыми пластинами. Датчиком скорости является пропеллер с горизонтальной осью вращения, установленный на нижнем основании корпуса прибора в обтекателе. Вращение пропеллера через открытую коническую муфту с коэффициентом 2:1 передается к вертикальному штоку, а затем через магнитную муфту внутрь корпуса прибора. В измерителе используется векторное осреднение показаний. Метки пути формируются пропеллером, а синус и косинус направления- цифровым магнитным компасом. Интегрирование скорости течения осуществляется в течение всего времени между циклами измерений. Дискретность измерений задается заранее и составляет 7,5; 15; 30 и 60 мин. Датчиком температуры является кварцевый резонатор с частотным выходом. Результаты измерений откладываются в твердотельной (полупроводниковой) памяти, рассчитанной на 4096 циклов измерений.
Диапазон измерения скорости 0,03-2,5м/с с погрешностью ±(3 2U)·10-2 м/с. Система подвески измерителя обеспечивает его ориентацию в потоке с помощью хвостового стабилизатора с точностью до 5° при скорости течения свыше 0,05м/с. Температура воды измеряется в диапазоне -2…38ºC с погрешностью ±0,1ºC. Запас батарей питания обеспечивает автономность работы до 120 суток. Выпускаются две модификации прибора. Одна рассчитана на глубины до 6000м с массой на воздухе 55,9кг, а другая- на глубины до 2000м с массой 48кг. Допустимый угол наклона прибора 15°.
Измеритель течений и температуры Geodyne-850 (США) имеет цилиндрический корпус, в нижней части которого помещены датчик скорости- ротор Савониуса диаметром 160мм- и небольшая флюгарка. По периметру ротора размещены 16 небольших магнитов, каждый из которых вызывает электрический импульс при прохождении магнитодиода. Скорость течения измеряется подсчетом числа оборотов ротора за время осреднения 5с. Направление вектора скорости определяется по сумме показаний магнитного компаса и флюгарки относительно горизонтальной оси корпуса прибора. Регистрация показаний компаса и положения флюгарки осуществляется с помощью маски с 7-разрядным кодом Грея с разрешением по углу 2,81°. Время осреднения в канале направления 0,6с.
Работа прибора задается программным устройством на основе часов с кварцевым генератором, в котором формируются сигналы опроса датчиков и интервал времени, соответствующий дискретности. Максимальная автономность работы прибора 1 год. Диапазон измерения скорости 0,025-3,5м/с с погрешностью ±10% до значения скорости 0,15м/с и ±3% до 1,5м/с. Диапазон измерения температуры воды- 2…35°С. Допустимый угол наклона 15°. Масса прибора 54кг. Измеритель используется в составе АБС и устанавливается в разрыве троса на глубинах до 5000м.
Измерители течений и температуры моделей 135 и 135-М (фирма «Интероушен», США) предназначены для измерения течения, температуры и гидростатического давления. Приборы 135-М дополнительно намеряют электропроводимость. Датчик скорости- ротор Савониуса, направление течения определяется с помощью магнитного компаса потенциометрического типа по положению корпуса прибора, ориентированного с помощью стабилизатора в потоке воды. Датчик температуры- линеаризованный термистор. Датчик электропроводимости в модели 135-М- индуктивного типа.
Программное устройство прибора формирует импульсы опроса измерительных каналов с дискретностью от 2 до 30 мин и сигналы отметки времени с дискретностью от 1 до 15ч. Результаты измерений в 8-разрядном двоичном коде записываются на магнитную ленту.
Для работы измеритель устанавливается в разрыве троса. Его корпус изготовлен из твердого анодированного алюминия и рассчитан на глубины до 1000м, а в специальном исполнении до 6000м. Масса прибора на воздухе 16кг. Диапазон измерения скорости 0,025-3м/с с погрешностью ±3%; чувствительность измерения направления ±1,4°, погрешность ±3º; диапазон измерения температуры 0—30ºC с погрешностью ±0,1°С; электропроводимость в модели 135-М измеряется в диапазоне 0-6,5См/м с погрешностью ±0,001См/м. Объем регистрации- 4500 отсчетов, что обеспечивает максимальную автономность работы прибора до 1 года. Допустимый угол наклона 30°.
Измеритель течений модели VMCM предназначен для регистрации характеристик течения на глубинах до 5000м. Датчик скорости- два ортогональных пропеллера с косинусной диаграммой направленности для измерения двух составляющих вектора скорости в системе отсчета прибора. Для обеспечения минимальных отклонений диаграммы направленности измерителя от косинусоидальной характеристики пропеллеры выполнены двойными. Среднее квадратическое отклонение от косинусоиды в горизонтальной плоскости не превышает 1,5%, в вертикальной- 3%. Направление течения определяется по ориентации корпуса прибора относительно магнитного меридиана магнитным компасом. Единичная метка пути соответствует 1/4 оборота пропеллера (около 0,1м). Имеется возможность подключения каналов температуры и гидростатического давления. Получаемая информация откладывается в магнитной памяти. Автономность работы определяется типом используемой батареи питания. Информационная емкость магнитного накопителя (2,2·106 бит) достаточна для записи результатов измерений с дискретностью 1 мин в течение 40 суток. Диапазон измерения скорости 0,02-4м/с с погрешностью ±3%. Погрешность измерения направления ±5º. Дискретность измерений задается заранее и может быть 1; 2; 4; 7,5 и 15 мин. Масса прибора 34,5кг.
Характеристики поверхностного течения можно измерять с помощью буксируемой системы для измерения течений модели 150А (фирма O.R.E., США). Модель 150А- геомагнитный электрокинетограф (отечественный аналог- электромагнитный измеритель течений (ЭМИТ) марки ГМ-15)- предназначена для измерения поперечной составляющей поверхностного течения. Это достигается регистрацией градиента потенциала напряжения, создаваемого движением морской воды в магнитном поле Земли. Получаемая информация регистрируется на бумажной ленте электронного потенциометра, шкала которого от калибрована в узлах и в сантиметрах в секунду. Кроме того, в бортовом блоке имеется специальный переключатель магнитной напряженности на 7 позиций от 0,1 до 0,7 эрстед, предназначенный для регулировки чувствительности в зависимости от местной интенсивности вертикальной составляющей магнитного поля Земли.
Для уменьшения ложных сигналов, вызванных поверхностным волнением, и ошибки, возникающей из-за провисания кабеля, измерительные электроды отнесены от плавучего кабеля. Общая длина кабеля 230м. Электроды подсоединяются к кабелю через соединительные неметаллические коробки, прикрепленные к нему на расстоянии 100м друг от друга. Кабель с электродами буксируется за депрессором, погруженным на глубину 12м. Одним из наиболее важных узлов аппаратуры являются электроды, служащие для контакта датчика с морской водой и подключения к цепи измерительного контура. Используются серебряные-хлорсеребряные неполяризующиеся электроды, помещенные в корпус из оргстекла. Выбор материала электродов обусловлен стабильностью но времени их собственных потенциалов. Электроды подбираются парами с минимальными значениями собственных ЭДС и достаточной для метода стабильностью.
В буксируемом за судном проводнике электродвижущая сила индуцируется только за счет поперечного перемещения, и каждое измерение дает только компонент течения, перпендикулярный направлению движения судна. Поэтому для определения полного вектора течения следует выполнить два измерения на двух разных курсах судна. Расстояние, проходимое на каждом курсе, должно быть не менее 0.2 мили. Полученные результаты геометрически суммируются. Каждое изменение курса судна обеспечивает получение пары контролирующих друг друга векторов скорости течения, а прямой и обратный ход судна дает контроль положения нуля электродов.
Электромагнитный измеритель течений и температуры СТ-3 (фирма «Sea-Link System», США). СТ-3- одноосевой прибор с горизонтальной компоновкой, использующий электромагнитный принцип для регистрации скорости течения. Корпус измерителя имеет торпедообразную форму с хвостовым оперением и оригинальную жесткоосевую подвеску для установки его в разрыве троса АБС, обеспечивающую устойчивую горизонтальную ориентацию при наклонах несущего троса до ±35°. К недостаткам устройства можно отнести его относительную чувствительность к вертикальному компоненту течения, движениям несущего троса и случайным возмущениям потока. Инерция корпуса и большой вертикальный киль позволяют прибору механически суммировать высокочастотные изменения течения.
По обе стороны корпуса расположены электроды измерителя скорости. Внутри корпуса помещен постоянный магнит, устанавливающий в воде снаружи корпуса точно сориентированное магнитное поле. Движение воды в потоке вдоль оси измерителя создает разность потенциалов, пропорциональную скорости течения. Использование подобного метода позволяет проводить измерения в поверхностном слое, прибрежной зоне, а также в знакопеременных течениях, что невозможно выполнять даже наиболее широко используемыми приборами вертушечного типа.
Направление течения определяется с помощью феррозондового струйного компаса, когда струя потока проходит внутри корпуса по специальному каналу, что обеспечивает последовательно точную регистрацию направления прибора. Он улавливает ориентацию СТ-3 по отношению к магнитному полю Земли и преобразует это магнитное направление в электрический сигнал, доступный для записи.
Датчик температуры- термистор- контролирует внешнюю температуру воды и создает соответствующий электрический сигнал для записи параллельно другим данным. Точная временная привязка обеспечивается твердокорпусными часами на кристаллах, которые срабатывают в начале измерительного цикла. Время измерения составляет 1с.
Диапазон измерения скорости 0,03-3,0м/с, чувствительность 0,01м/с, относительная погрешность ±3%. Погрешность измерения направления ±5º, чувствительность ±2,8º. Температура измеряется в пределах -2…36ºC с погрешностью ±0,15ºC. Дискретность измерений устанавливается в пределах 1-225 мин с приростом в 1 мин. Магнитная память, рассчитанная на 15 300 отсчетов, и емкость щелочных батарей обеспечивают автономность работы прибора от одной недели до 6-8 месяцев. Масса измерителя 22,7кг, предельная глубина установки 5000м.
Акустический измеритель течений «Вега-1» (МГИ, АН Украины) снабжен двухкомпонентным акустическим измерителем скорости с фазоимпульсной схемой измерения и ^-образной траекторией распространения сигнала. Направление ориентации прибора измеряется феррозондовым синусо-косинусовым компасом, помещенным на двойном кардановом подвесе. В приборе используется векторное осреднение измеряемой скорости. Одновременно производится измерение температуры воды, гидростатического давления и скорости звука. Титановый корпус прибора рассчитан для работы до глубин 6000м. Диапазон измерения скорости 0-2,5 м/с с погрешностью ±(0,01 0,05U)м/с и чувствительностью 0,005 м/с; направление измеряется с погрешностью ±5° при чувствительности 0,5°. Температура воды измеряется в диапазоне -2…36°С, скорость звука 1400-1600м/с, крен и дифферент ±45º, гидростатическое давление 0-600 атм. Дискретность измерений 1,5; 20 и 60 мин.
Измерители течении АСМ-1 и АСМ-2 (фирма NBIS, США) используют акустический метод незатухающей импульсной волны для измерения двух компонентов скорости течения, для чего применяется двухкомпонентный измеритель скорости с ^-образной траекторией распространения акустических сигналов. Ориентация приборной системы координат относительно магнитного меридиана измеряется по феррозондовому компасу. Результаты измерений в 12-разрядном двоичном коде заносятся в полупроводниковую статическую память емкостью 10000 циклов измерений. В АСМ-2 предусмотрена цепь коррекции температурной зависимости скорости звука в воде в диапазоне -2…30ºC с погрешностью измерения ±0,5°С и постоянной времени 1мин.
Прибор работает следующим образом. На вход излучающего электроакустического преобразователя (А) подается сигнал с генератора, вырабатывающего электрические колебания с несущей частотой 1,6 мГц. Электроакустический преобразователь излучает в морскую воду узкий, с угловой шириной 1º, пучок акустической энергии, подающийся на акустическое зеркало (С). Отразившись от зеркала, пучок попадает на приемник (В). Затем от В пучок таким же образом попадает на А. Пучок акустической энергии при движении в ту иди иную сторону, встречаясь с течением, будет изменяться по фазе, а потоки, перпендикулярные плоскости расположения электроакустических преобразователей А и зеркала С, не учитываются. Разница сигналов, приходящих от А и В, будет являться функцией частоты, расстояния между излучателями-приемниками, скорости звука в воде и скорости течения. Отсюда неизвестным фактором является лишь скорость, течения.
Диапазон измерения скорости в АСМ-1 0-3,0м/с с чувствительностью 0,003м/с; в АСМ-2 диапазон измерения 0-2,5м/с с чувствительностью 0,005м/с. Погрешность измерения обоих приборов ±(0,01 0,05U)м/с, время осреднения в канале скорости у АСМ-2 0,2с. Погрешность измерения направления ±2° при чувствительности 0,5°. Дискретность измерений задается в пределах 10—150 мин. Допустимый угол наклона 30º, предельная глубина установки в зависимости от типа корпуса 3000 или 6000м. Температура измеряется в пределах -2,4…35,8ºC с погрешностью ±0,5ºC. Масса прибора 43кг, диаметр 77мм и длина 525мм.
Следует отметить, что в настоящее время измерители фирмы NBIS имеют наилучшие характеристики, достигнутые в мировой практике океанографического приборостроения, и наиболее успешно могут использоваться для исследования мелкомасштабной изменчивости.
Исследования динамической погрешности отечественных измерителей скорости БПВ-2, ДИСК, АЦИТ, «Поток» (По данным В.М.Кушнир и В.Б.Титова) были проведены в тарировочном бассейне ГТИ. Исследовалась зависимость динамической погрешности Δα=M(Uτ)-U (где (Uτ)– средняя измеренная скорость, U– скорость протяжки) испытуемых приборов от отношения скорости к амплитуде пульсаций скорости (U’/U). При отношении U’/U≈1 происходит резкое увеличение относительной погрешности Δα/U, причем для приборов АЦИТ и «Поток»- в сторону отрицательных значений погрешности, а для БПВ-2 и ДИСК- в сторону положительных.
Исследования зависимости Δα/U=f(U’/U) для некоторых зарубежных измерителей (RSM-4, S-4, АСМ-1, VМСМ) показали, что при U’/U=5…6 относительная динамическая погрешность резко возрастает, при U’/U=1 она составляет 0,3-0,5. Минимальную погрешность имеет пропеллер VМСМ.
В целом для всех известных измерителей скорости течений пульсации скорости или колебания точки подвеса прибора на частотах около 10-1 Гц создают относительно большую динамическую погрешность измерения скорости, если амплитуда пульсационной составляющей скорости потока примерно равна или больше средней скорости течения.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
§
Приборы и устройства, предназначенные для исследования распределения по глубине одного или нескольких гидрофизических и гидрохимических параметров морской воды, обычно называют зондирующими гидрологическими системами.
СТД-системы предназначены для измерения электропроводимости, температуры и давления, измерения электропроводимости морской воды in situ.
Одной из первых в мире СТД-систем, позволяющих выполнять измерения in situ температуры, электропроводимости, гидростатического давления и скорости звука, можно назвать систему ASWEPS, разработанную в США в 1963 г.
Всю аппаратуру подобного типа можно классифицировать по способу использования, а также по принципу построения измерительных схем и способу представления информации.
По способу использования, т.е. по возможности получения вертикальной стратификации океанологических характеристик, СТД-системы подразделяются на привязные, свободнопадающие, квазисвободнопадающие и свободноскользящие.
В последнее время в океанологической практике стали использоваться так называемые СТД-системы многоканальные и «возвращаемые», с малыми массовыми и габаритными параметрами, занимающие промежуточное положение между обрывными и свободнопадающими (ближе к теряемым системам), использующие тонкий и легкий провод связи, разрывного усилия которого достаточно для поднятия устройства после зондирования на борт судна.
По второму типу классификации системы подразделяются на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных системах сигнал на выходе из блока вторичного преобразования, представленный в виде напряжения, силы или частоты колебаний электрического тока, непрерывно передается на бортовой блок по линиям связи или регистрируется внутри самого измерителя. В цифровых измерительных системах исследуемый параметр преобразуется в зондирующем устройстве в цифровой вид и передается в бортовой блок зонда с определенной, заранее заданной, дискретностью по линии связи в виде последовательных двоичных или двоично-десятичных кодов. Подобные измерители позволяют производить квантование измеряемых характеристик по уровню и по времени.
В зависимости от поставленных задач выдвигаются различные требования к получаемой информации. Использование СТД-систем позволяет в реальном времени при производстве измерений одновременно определять распределение таких обобщенных параметров среды, как частота Вяйсяля-Брента, число Ричардсона, число Кокса, параметры активности турбулентности, предложенные Гибсоном, и др.
Рассмотрим более подробно некоторые наиболее широко используемые СТД-системы. К одной из первых свободнопадающих СТД-систем можно отнести автономный измерительный океанографический зонд SAMO фирмы «Казакрус», Франция, который предназначен для измерения температуры воды и скорости звука в воде до глубины 5000 м.
В Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (Санкт-Петербург) выполнена разработка телеметрического самолетного гидрозонда, предназначенного для измерения вертикального распределения температуры и УЭС морской воды в режиме свободного падения до глубины 500 м с передачей результатов измерений на борт низколетящего самолета.
В ЦКБ ГМП разработана СТД-система с внутренней памятью «Челнок», предназначенная для работы в составе АБС или при зондировании до 1000 м.
В качестве примера квазисвободнопадающего зонда можно привести созданный в Донецком университете автономный зонд многоразового использования с ненагруженной линией связи с бортом судна. Данная СТД-система предназначена для зондирования на глубинах до 1000 м при исследовании тонкой структуры и мелкомасштабной турбулентности.
В Морском гидрофизическом институте АН Украины была разработана свободноскользящая СТД-система типа МГИ-8101К, предназначенная для измерения температуры, УЭП, пульсаций УЭП морской воды и гидростатического давления с судна, лежащего в дрейфе, при свободном падении зондирующего устройства ПУ-01К вдоль одножильного кабель-троса длиной не более 3000 м на глубину до 2000 м.
СТД-система «Гидрозонд» предназначена для измерения температуры, УЭП морской воды, гидростатического давления как в зондирующем варианте, так и при выдержке на отдельных горизонтах на глубинах до 6000 м, а также обеспечивает отбор проб морской воды на гидрохимический анализ с помощью специальной кассеты батометров.
Прецизионный гидрологический зонд для океанологических исследований, разработанный в ВНИИФТРИ, предназначен для измерения температуры, УЭП морской воды, скорости звука и гидростатического давления до 6000 м. Титановый корпус зондирующего устройства (масса около 50 кг) цилиндрической формы. Связь с бортовым блоком осуществляется с помощью кабель-троса.
Информационно-измерительная система фирмы. «Нейл Браун» (США) предназначена для измерения распределения по глубине температуры и удельной электропроводности морской воды, содержания растворенного кислорода, относительного содержания хлорофилла и отбора проб воды на заданных горизонтах.
СТД-система MARK-ΙΙΙB была разработана еще в 70-е годы и с тех пор считается образцом аппаратуры подобного типа. В настоящее время появились новые образцы таких систем.
СТД-система MK3C/WOGE была разработана еще под руководством Брауна.
Сравнительно новая, но уже завоевавшая признание СТД-система JCTD.
СТД-система 911 plus.
СТД-система 316 PROBE.
Все эти четыре СТД-системы могут работать с обычными батометрическими кассетами. По своим метрологическим характеристикам они в настоящее время являются своеобразным стандартом для океанологических исследований.
Малогабаритные гидрологические зонды.
В настоящее время в океанологической практике уделяется значительное внимание малогабаритной аппаратуре, которая не требует для своей установки специальных судовых помещений и которую можно легко использовать на малотоннажных судах. Подобную аппаратуру можно разделить на две категории: автоматизированные устройства, выполненные на базе микропроцессорной техники, и приборы с ручным управлением процессами измерений и регистрации получаемой информации. Рассмотрим устройство некоторых типов малогабаритных СТД-зондов.
В ЦКБ ГМП (группа Н.М. Скурихина) был разработан «Минизонд», предназначенный для измерения температуры, УЭП и гидростатического давления на глубинах до 200 м с борта маломерных судов без использования вспомогательного оборудования.
Миниатюрная гидрохимическая СТД-система «Цикада», разработанная в ИО РАН, предназначена для измерения температуры, УЭП, содержания растворенного кислорода и гидростатического давления до глубины 150 м.
Среди мини-СТД-систем можно отметить MICRO CTD2 (США); в качестве линии связи между зондирующим устройством и бортовым блоком используется кабель-трос, и в нем не предусмотрено подключение дополнительных датчиков. Система MICRO CTD3 снабжена внутренней памятью, имеет несколько большие размеры и приспособления для подключения дополнительных датчиков. Эти системы, а также AQUALINK, Chemitraka и SBE19 (SEASAT) по своим метрологическим характеристикам близки к стандартным системам.
Некоторые мини-СТД-системы имеют интересные конструктивные особенности. Система 301 PROBE может работать с компактным вариантом кассеты батометров. Система СТД/S4, выполненная в сферическом прочном корпусе из стеклопластика, может использоваться и для работы на АБС на глубинах до 1000 м. Система SMP-PROBE снабжена датчиком сероводорода и специальной мешалкой для всех химических датчиков.
Система EMP-200 отличается отсутствием бортового блока ‑ зондирующее устройство напрямую подключается к последовательному порту любого компьютера, работающего в среде MSDOS. Система AQUA-16 имеет большое число встроенных датчиков, наиболее интересным из которых является микроэлектродный датчик растворенного кислорода с постоянной времени около 0,1 с.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
§
Научно-исследовательские суда. Основной функцией научно-исследовательских судов (НИС) являются сбор и первичная обработка информации о Мировом океане, атмосфере над ним, строении его дна, а также о флоре и фауне. Изучение Мирового океана связано с проведением дорогостоящих морских экспедиций. Важнейшим показателем эффективности использования НИС является объем информации, который может быть собран за время экспедиционного рейса.
Автономные буйковые станции. Использование автономных буйковых станций (АБС) в океанологической практике позволяет исследовать временную изменчивость океанологических характеристик при проведении долговременных измерений в одной точке при любых погодных условиях.
АБС не являются идеальным инструментом для исследования океана. Под воздействием ветра, волнения, течений они подвержены сложным движениям- от относительно плавных перемещений, создаваемых переменным по скорости и направлению потоком воды, до высокочастотных вынужденных и свободных колебаний. Все это в значительной степени влияет на показания различных измерителей, искажая измеряемые величины. Характер подобных искажений существенным образом зависит от конструктивных особенностей и параметров буйковых станций.
Типы и состав АБС. В зависимости от назначения и способа постановки можно выделить пять основных типов АБС: а) с поверхностным, поставленным на якорь, несущим буем; б) с притопленным несущим буем; в) комбинированные- с притопленным и поверхностным буями; г) дрейфующие; д) с распределенной плавучестью.
Кроме того, в самостоятельную группу можно выделить обитаемые и необитаемые буи-лаборатории. Каждая АБС включает комплекс специального оборудования: несущий буй; становой трос-буйреп; размыкатель троса; донный якорь; измерительный комплекс (гидрологические, метеорологические и другие измерительные приборы); системы преобразования, обработки и регистрации получаемой информации; системы управления работой измерительных и вспомогательных систем АБС; системы телеметрии (приемо-передающие радиостанции, линии связи с датчиками, включая иногда гидроакустический канал); вспомогательное оборудование (аккумуляторные батареи, энергетические установки для их подзарядки, системы вентиляции, терморегулирования, навигационное оборудование и т.п.).
С помощью буйковой станции с поверхностным несущим буем можно производить измерения гидрофизических характеристик во всей толще воды на заданных горизонтах наблюдений (с погрешностью примерно ±0,5 % от глубины) с достаточной стабильностью положения измерительной аппаратуры на этих горизонтах, при переменной скорости течения, а кроме того, выполнять метеорологические наблюдения. К недостаткам подобных систем относятся качественное ухудшение получаемой информации, вызванное вертикальными и горизонтальными перемещениями буя под воздействием ветра, волнения и течения, передаваемыми через трос всей станции, а также сравнительно невысокая надежность системы при длительных постановках из-за сложных гидрометеоусловий и агрессивного воздействия морской воды на трос АБС.
Системы с притопленным несущем буем позволяют получать более качественную информацию, так как не подвергаются непосредственному воздействию ветра и поверхностного волнения, в результате чего данные АБС обладают более высокой надежностью.
Недостатки:
1. Невозможность измерений в верхнем, деятельном слое океана, расположенном выше притопленного буя.
2. Невозможность метеорологических наблюдений.
3. Длина буйрепа станции и определяемое этим заглубление буя рассчитываются на определенную глубину океана. Но фактически глубина места постановки АБС, особенно при пересеченном рельефе и дрейфе судна, отличается от заданной, что вызывает изменение глубины заглубления буя и, значит, смещение горизонтов наблюдений.
4. Увеличение аэро- и гидродинамического давления на поверхностный буй вызывает увеличение осадки буя и натяжение буйрепа, что мало изменяет угол отклонения буйрепа от вертикали и горизонты размещения приборов. Увеличение же гидродинамического давления на притопленный буй, обладающий постоянной силой плавучести, компенсируется натяжением троса при большом отклонении угла от вертикали, что приводит к значительному изменению глубины нахождения приборов (до 100 м).
В последнее время широкое распространение в океанологии нашли дрейфующие буи (дрифтеры), используемые для изучения процессов, протекающих в поверхностном слое океана и в атмосфере над ним. Передача информации о местоположении и гидрометеорологических характеристиках осуществляется по радиоканалу на береговую базу пли ИСЗ. Дрифтеры могут сбрасываться в океан с судна или летательного аппарата (самолет, вертолет), что позволяет Проводить исследования в отдельных районах.
Буи-лаборатории. Для проведения научно-исследовательских и поисковых работ, особенно при выполнении «тонких» океанологических экспериментов и испытаний высокочувствительной измерительной гидрофизической аппаратуры, создан ряд обитаемых и автономных буев-лабораторий. Эти устройства могут эксплуатироваться в широком диапазоне морских глубин, на них можно размещать целые измерительные комплексы, они могут длительное время находиться в заданном районе или дрейфовать. Достоинствами таких буев являются их хорошая пространственная стабилизация, относительно высокая устойчивость, что позволяет обеспечивать океанологические измерения в заданной точке и ориентации.
Стационарные и передвижные платформы для океанологических исследований. Для исключения «паразитных» воздействий в океанологической практике нашли применение стационарные и передвижные, в том числе полупогруженные, платформы, которые можно устанавливать на больших глубинах. Особенно широко эти платформы используются при изучении мелкомасштабных процессов в океане, а также при длительных непрерывных гидрофизических и гидрометеорологических исследованиях на значительном удалении от берега.
Подводные аппараты. В настоящее время во всем мире создано большое число разнообразных подводных аппаратов. Они различны по конструкции и предназначены в основном для решения конкретных задач, связанных с рыболовством, геологией моря, прокладкой труб по дну, бурением и т.д. Сейчас не существует твердо установленной и общепринятой классификации подводных аппаратов, но условно их можно разделить следующим образом:
Ø обитаемые (с человеком на борту) и необитаемые или автоматы с дистанционным управлением;
Ø привязные (поддерживаемые тросом- гидростаты, батисферы), беспоплавковые (поддерживаемые плавучестью прочного корпуса), поплавковые- батискафы, донные- передвигающиеся по дну;
Ø транспортируемые (доставляемые судном в район исследований и буксируемые на тросе), автономные (доставляемые судном и самостоятельно перемещающиеся после спуска на воду), полностью автономные.
Неконтактные технические средства проведения океанологических исследований. В последнее время большое значение при исследовании Мирового океана приобретают неконтактные средства, использование которых основано на получении данных излученного или отраженного океанологическими объектами электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн. При этом неконтактная измерительная аппаратура (т.е. аппаратура, не имеющая непосредственного контакта с исследуемой средой) может быть установлена не только на борту НИС, но и, чаще всего, на борту как авиационных, так и космических носителей.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
