Методы и аппаратура для измерения пульсаций


Категория Методы океанологии

Как показали многочисленные исследования, вертикальные профили температуры, солености воды, а также скорости воды и звука характеризуются нестабильностью с вертикальными масштабами от сантиметров до сотен метров.

В настоящее время существует общепринятое деление неоднородностей различных гидрофизических полей по масштабам на три диапазона:
— крупномасштабные с вертикальными размерами более 100 м относят к среднему профилю;
— промежуточные с вертикальными размерами от 100 до 1 м называют тонкой структурой;
— мелкомасштабные с вертикальными размерами менее 1 м относят к микроструктуре.

Исследование характеристик тонкой вертикальной структуры и микроструктуры полей температуры, электрической проводимости, скорости звука и плотности может дать важные сведения 0 некоторых свойствах внутренних волн и их роли в процессах перемешивания в океане.

Тонкая вертикальная структура поля скоростей течения в океане весьма разнообразна. Так, например, были обнаружены смежные слои с разнонаправленным движением. При этом вертикальный градиент скорости оказался весьма значительным и на границах слоев достигал 5—10 см/с на метр глубины.

Таким образом, океан почти повсеместно представляет-собой тонкостратифицированную среду, в которой существуют сравнительно однородные по свойствам слои, отделенные друг от друга более тонкими граничными прослойками с резкими изменениями термодинамических характеристик.

На эту структуру обычно накладываются турбулентные пульсации скорости и флюктуации физических свойств в тех слоях и прослойках, где происходит перемешивание. Эти пульсации и флюктуации обычно обладают меньшими пространственными масштабами. Благодаря такому взаимодействию и возникают наиболее мелкие неоднородности полей температуры и электропроводимости в океане.

Тонкая структура вертикальных профилей температуры и электропроводимости представляет собой неупорядоченное или систематическое чередование по глубине участков с низкими и высокими вертикальными градиентами.

Наибольшие из зарегистрированных в термоклине вертикальных градиентов температуры и солености в слоях толщиной менее 1 см достигают 0,1°С/см и 0,025 на сантиметр.

В то же время в океане можно наблюдать полностью изотермические слои, характеризующиеся нулевым вертикальным градиентом температуры. Иногда встречаются слои с обратным знаком градиента температуры.

Неоднородности вертикальной структуры как неупорядоченного, так и ступенчатого характера существуют в океане до самых больших глубин. Однако амплитуды большинства неоднородностей тонкой структуры имеют тенденцию убывать с глубиной примерно в той же мере, в какой убывают вертикальные градиенты температуры и солености на сглаженных профилях.

Экспериментальные исследования зондирующей аппаратурой показывают сложное ступенчатое вертикальное распределение гидрологических параметров, которые изменяются с глубиной случайным образом. Так, вертикальный масштаб ступенек тонкой структуры океана составляет для температуры 16,7—20,8 м, для солености 8,6—11,6 м. Средние квадратические отклонения температуры от среднего профиля составляют 0,06—0,1 °С, а солености 0,03—0,37. Градиенты же температуры и солености в ступеньках вертикальной структуры достигают 0,1—0,35°С/м и 0,03—0,09 на метр.

Мелкомасштабные флюктуации течений в океане обусловлены внутренними гравитационными волнами и турбулентностью. Внутренние волны широко распространены в стратифицированном слое океана. Они образуются в связи с изменением атмосферного давления, воздействия поверхностных волн, от неоднородности крупномасштабных течений.

Спектр турбулентных флюктуаций скорости течения охватывает диапазон от 102 до Ю-1. Наиболее развита турбулентность в верхнем однородном слое океана. Там средние квадратические отклонения флюктуаций скорости достигают нескольких сантиметров в секунду и быстро уменьшаются с глубиной. В стратифицированном слое океана архимедовы силы подавляют турбулентность, которая развивается локально в виде отдельных пятен в пределах однородных прослоек тонкой структуры.

В устойчиво стратифицированной среде сила Архимеда стремится вернуть частицу в ее первоначальное равновесное положение, что и затрудняет турбулентный обмен.

Источником энергии турбулентности в ряде случаев могут быть конвективные движения, которые возникают при охлаждении поверхности океана или при осолонении поверхностных вод за счет испарения. Основным же механизмом генерации мелкомасштабной турбулентности в толще океана является, вероятно, неустойчивость внутренних волн.

Режимы турбулентности в различных слоях океана оказываются различными. В настоящее время принято выделять три слоя океана.

Верхний пограничный слой имеет толщину порядка 10 м и отличается развитием сильной турбулентности, которая генерируется поверхностными волнами, неустойчивостью дрейфовых течений и конвективных движений.

Средний слой — основная масса океанской воды — не испытывает воздействия поверхностных и придонных воздействий и отличается слабой турбулентностью, которая порождается внутренними волнами и неустойчивостью геострофических течений.

Наконец, придонный пограничный слой, порядка 10 м, отличается турбулентностью пристеночного типа, которая порождается неустойчивостью придонных течений с вертикальным градиентом скорости.

Границей раздела между верхним и средним слоями океана служит слой скачка плотности.

Турбулентность имеет определяющее значение в формировании гидрологических полей.

Турбулентное перемешивание приводит к аккумулированию значительного количества тепла в тропических районах океана. Это тепло переносится течениями в умеренные и приполярные области. Эти процессы оказывают решающее воздействие на формирование климата планеты. Турбулентные движения океанских

Перечисленное показывает, насколько интересно и важно знать закономерности океанской турбулентности, и выдвигает эту проблему в ранг важнейших.

Возможности экспериментального изучения мелкомасштабных процессов в океане определяются инерцией измерительного прибора и размерами самого датчика.

Для выбора технических характеристик измерителей необходимо знание высокочастотных составляющих исследуемого поля. Для большинства измерителей диапазон изменений постоянной времени и размера датчика в высокочастотной области ограничен сверху величинами порядка сотых долей секунды и нескольких долей миллиметра. В низкочастотной же области диапазон их изменений снизу ограничен секундами и метрами.

Обычно требования к динамическому диапазону определяют, исходя из диапазона изменения измеряемого параметра. Однако правильнее выбирать диапазон измерения, исходя из изменчивости изучаемого процесса. За меру изменчивости следует принять среднее квадратическое отклонение измеряемого параметра. При этом диапазон измерения рекомендуется выбирать таким, чтобы он был равен или больше шестикратного значения среднего квадратиче-ского отклонения.

Поскольку океаническую неоднородность приходится исследовать в исключительно широких диапазонах пространственных и временных масштабов, возникает проблема технического обеспечения изучения этого глобального явления. Вполне очевидно, что для этого требуются разработка и применение различных методов исследования и широкой гаммы аппаратуры.

Рассмотрим существующие технические возможности и сферу их целесообразного применения.

Существует несколько способов измерения мелкомасштабной турбулентности в океане.

1. Большинство измерений турбулентности выполняются в дрейфе с борта судна. Этот способ позволяет проводить измерения в широком диапазоне глубин до тысяч метров. Поскольку скорости дрейфа судна обычно невелики, то к измерительной аппаратуре не предъявляется высоких требований в отношении инерционности датчиков.

Недостатком такого способа проведения измерений является влияние качки судна, которое обычно не снимается даже применением специальных демпфирующих устройств.

2. Широкое распространение получило применение буксируемых носителей измерительной аппаратуры, которые перемещаются в толще воды горизонтально. Таким способом удается получить пространственные характеристики структуры гидрофизических полей. Такие носители обычно движутся со скоростями от 1 до 3 м/с. Подобным способом возможно получение характеристик турбулентности на достаточно большой акватории. Однако при использовании буксируемого носителя на измерениях сказывается влияние поверхностного волнения и вибраций кабель-троса. К измерительной аппаратуре таких приборов предъявляются жесткие требования по инерционности.

3. Широко используется метод измерения с неподвижного носителя. Таким носителем является поверхностный или притоплен-ный буй либо донные станции. При проведении таких измерений в значительной мере исключается влияние поверхностного волнения. Вибрации буйрепа, как правило, слабы. Метод использования неподвижного носителя позволяет одновременно установить большое количество измерительных приборов на различных глубинах. Диапазон глубин становится практически неограниченным. Кроме того, появляется возможность использования нескольких буйковых станций, что позволяет проводить исследования фоновых мезомасштабных процессов. В настоящее время существует практическая возможность проводить длительные измерения на серии устанавливаемых на дно оснований. Недостатком метода является сложность измерительных комплексов аппаратуры, определяемая их автономностью.

4. В последнее время интенсивно развивается метод вертикального зондирования, используемый для измерения параметров тонкой структуры и микроструктуры гидрофизических полей. Помимо зондов, опускаемых на кабель-тросе, используются зонды, ведущие измерения в режиме свободного падения в толще воды или свободного скольжения вдоль троса или кабель-троса. В последнем случае информация передается с падающего прибора на кабель-трос индукционным способом. Такие зонды полностью свободны от влияния поверхностной качки судна. В режиме вертикального зондирования с относительно большими скоростями удается получить характеристики пространственной вертикальной структуры гидрофизических полей.

Свободно падающие зонды, однако, оказываются весьма сложны и дороги для проведения массовых измерений, и, кроме того, ими оказывается невозможным выполнить длинную серию зондирований для изучения временной эволюции исследуемых процессов.

Известен способ измерений с планирующего носителя, который используется в ИОАН.

5. Весьма перспективными являются измерения, выполняемые с носителей, которые по какому-либо критерию изменяют свое положение по глубине. Такими носителями могут быть буи нейтральной плавучести, перемещающиеся по течению в слое с заданной плотностью. Они оборудуются пассивной или активной системой уравновешивания. Измеряемая информация при этом может накапливаться на магнитном регистраторе или передаваться по гидроакустическому каналу.

6. Наконец, перспективным оказывается использование автономных самодвижущихся подводных аппаратов — обитаемых и необитаемых. Измерители турбулентности, размещенные на таких носителях, оказываются в благоприятных условиях. Во-первых, датчики имеют постоянную ориентацию относительно корпуса носителя, поэтому для измерений можно использовать серию датчиков, располагая их в вертикальном и горизонтальном направлениях. Это позволяет провести сопоставление пространственных и временных характеристик турбулентности или изучить характер симметрии поля мелкомасштабной турбулентности. Подводные аппараты позволяют изучить закономерности мелкомасштабной турбулентности, которые не поддаются исследованиям другими способами, в условиях шторма и в подледных условиях. Главное достоинство измерений с подводного аппарата состоит в том, что они оказываются свободными от влияния поверхностного волнения. В руках исследователя также существует возможность длительно удерживать датчики в необходимом ему пространственном положении, фиксируя аппарат в нужной позиции.

Перечисленные методы измерения вертикальной микроструктуры показывают, что исследования могут охватывать спектральный диапазон масштаба от 106 до 1 см. В этот диапазон, следовательно, попадает интервал мелкомасштабной турбулентности, характеристики которой зависят от притока энергии и локальных гидродинамических условий.

Охватить столь широкий спектральный диапазон масштабов явлений оказывается, таким образом, возможным лишь с помощью различных приборов, перекрывающих широкий динамический и частотный диапазоны. Так, исследования мезомасштабных процессов должны вестись в течение нескольких суток с интервалом дискретности от десятка секунд до минут. В то же время мелкомасштабные процессы регистрируются в течение долей часа, но с дискретностью в десятые доли секунды. Как известно, интенсивность флюктуаций измеряемых параметров в различных участках спектрального диапазона отличается на несколько порядков, поэтому возникают различные требования к чувствительности измеряемой аппаратуры и методике измерений. Отсюда следует, что весь спектральный диапазон, например измерения различных компонентов вектора скорости течения, следует разбивать на два—три перекрывающихся участка, в каждом из которых следует использовать подходящую аппаратуру и методику измерения.

Следует отметить, что технические средства пульсационных измерений начали создаваться весьма недавно, и их уровень развития еще недостаточно высок, однако, они позволили приступить к достаточно регулярным натурным исследованиям. Сложности проведения таких исследований определяются как проблемой создания надежно работающей аппаратуры, так и недостаточным еЩе развитием и опытом методики проведения.

В настоящее время создана гамма измерителей пульсаций, которые хорошо зарекомендовали себя в экспериментальных исследованиях в океане.

При создании аппаратуры внимание было сосредоточено преимущественно на разработке измерителей пульсаций компонентов скорости потока, пульсаций электропроводимости и пульсаций температуры.

Ниже рассмотрим физические основы измерений пульсаций перечисленных параметров, типы приборов и структурные особенности.

Для измерения пульсаций компонентов течения используются термоанемометрические, электромагнитные и вертушечные датчики. К измерителям пульсаций течения предъявляется ряд требований, основные из которых сводятся к следующим:
1) малый уровень собственных шумов;
2) высокая разрешающая способность;
3) широкий диапазон измеряемых пульсаций;
4) нечувствительность к температуре и солености;
5) линейность градуировочных характеристик;
6) надежность и удобство в эксплуатации.

В настоящее время не существует ни одного измерителя пульсаций скорости потока, который бы полностью удовлетворял всем этим требованиям. Одними из первых для измерения пульсаций скорости потока начали применяться термоанемометрические датчики. Наиболее распространены сейчас термоанемометры с пленочными чувствительными элементами и термоанемометры с гид-рорезисторными датчиками. В качестве чувствительного элемента применяются платиновая пленка и кондуктометрическая ячейка.

Рассмотрим устройство и структуру термоанемометрических датчиков обоих типов.

Рассмотрим блок-схему измерителя пульсаций скорости. Сопротивление датчика включено в мостовую измерительную схему, во второе плечо которой включены параллельно магазины сопротивлений и емкостей, предназначенные для балансировки моста. Роль второй пары плеч играет вторичная обмотка трансформатора с тесной индуктивной связью со средней точкой. Питание моста осуществляется через первичную обмотку трансформатора от усилителя мощности, получающего сигнал, пропорциональный заданному значению перегрева, от регулятора перегрева. На регулятор перегрева сигнал частотой 10 кГц подается с задающего генератора. С измерительной диагонали моста сигнал через усилитель разбаланса подается далее на детектор, который синхронизируется от задающего генератора. После прохождения через фильтр и усилитель сигнал поступает на регистратор.

Рис. 1. Блок-схема измерителя пульсаций скорости.

Достоинством термоанемометрического измерителя пульсаций скорости пленочного типа является малый уровень шумов. Так,, среднеквадратичный уровень шумов в рабочей полосе частот, приведенный к единицам скорости, составляет 0,12 мм/с. Частотный диапазон датчика лежит в пределах от 1 до 250 Гц.

Другим типом термоанемометрического измерителя является измеритель с гидрорезисторным датчиком. Чувствительным элементом в гидрорезисторном измерителе пульсаций скорости течения является объем воды, заключенный между центральным и кольцевым электродами датчика. Электроды датчика расположены на полусферической поверхности, при этом центральный электрод выглядит как точка диаметром 0,5 мм, а кольцевой элек-„род расположен вокруг нее и имеет диаметр 9 мм. Электроды включены в схему измерительного генератора мощностью до -0 Вт, обеспечивающего отдачу через пространство между электродами мощности, достаточной для нагрева полезного объема воды, служащего чувствительным элементом. Частота измерительного генератора 5 МГц. Значение перегрева устанавливается регулятором температуры путем изменения подводимой к измерительному генератору мощности питания. Так как объем воды между электродами нагревается непрерывно, то за перегрев обычно принимается изменение температуры некоторого эквивалентного объема воды вблизи точечного электрода, которое вызвало бы соответствующее изменение проводимости.

Изменение добротности измерительного генератора при изменении проводимости объема воды между электродами модулирует амплитуду напряжения, снимаемого с измерительного генератора. Таким образом, амплитудная модуляция этого напряжения заключает в себе информацию о скорости набегания потока на чувствительный элемент измерителя, включая флюктуации набегающего потока.

Объем нагреваемой воды имеет весьма сложную форму, однако с достаточной степенью точности можно считать, что его эффективное значение составляет около 3 мм3. При этом минимальный размер неоднородностей, регистрируемых прибором, равен примерно 2 мм.

С измерительного генератора сигнал после детектирования подается по линии связи на регистрирующую аппаратуру. Сигнал на выходе детектора содержит как постоянную, так и пульсацион-ную составляющие скорости течения. При этом уровни этих составляющих различаются весьма существенно. Поэтому сигнал с детектора практически соответствует средней скорости V. Сигнал же пульсационного значения скорости V“ снимается с операционного усилителя пульсации, который отсекает постоянную составляющую и усиливает переменную.

Гидрорезисторный датчик пульсаций скорости потока обладает более широким частотным диапазоном, лежащим в пределах от 1 до 1000 Гц. Измеритель пульсаций скорости потока отличается простотой конструкции и надежностью работы схемы измерения. Однако в процессе эксплуатации центральный электрод со временем покрывается непроводящей пленкой из частиц органического, и неорганического происхождения. Для борьбы с этим явлением используют схему очистки центрального электрода. Такая схема содержит источник постоянного тока малой мощности, который обеспечивает электрическое растворение образующейся пленки.

Конструктивно гидрорезисторный измеритель скорости потока имеет конусообразную форму, на острие которого расположены электроды, внутри конуса помещен собранный на микросхемах измеритель.

Подобно термоанемометрическому измерителю с пленочным чувствительным элементом измеритель с гидрорезисторным датчиком, помимо пульсаций скорости потока, одновременно измеряет пульсации температуры и в меньшей степени пульсации электропроводимости. Поэтому термоанемометры, работающие в режиме одной ступени перегрева, использовать не следует, поскольку вклад температурных пульсаций в полезный сигнал часто оказывается значительным. Этот недостаток устраняется применением для измерения пульсаций скорости потока термоанемометра с тремя ступенями перегрева. В таком измерителе пульсаций скорости применен трехступенчатый перегрев чувствительного элемента с последующим декодированием на три аналоговых сигнала. Временная диаграмма работы измерителя показана на рис. 35. На графике / показаны входные тактовые импульсы с периодом следования 0,25 мс. На графике II показана форма напряжения, поступающего от формирователя управления на модулятор. Уровню U соответствует температура разогрева чувствительного элемента Т1, уровню U2 — температура Г2 и уровню U3 — температура Г3. Для обеспечения перехода от минимальной температуры перегрева Т\ к максимальной Г3 и обратно введен средний перегрев Т2.

Рис. 2. Блок-схема гидрорезисторного измерителя пульсации скорости потока,

На графике III показана форма напряжения сигнала на выходе амплитудного детектора. На графиках IV—VI показана форма напряжений на выходах трех независимых синхронных пиковых: детекторов, которые являются структурной основой демодулятора.

На рис. 36 представлена блок-схема термоанемометра с тремя перегревами. Измеритель состоит из генератора с внешним возбуждением мощностью до 50 Вт и модулятора со 100 %-ной модуляцией в частотном диапазоне от 0 до 10 кГц. Генератор рассчитан на работу от отдельного кварцевого возбудителя с частотой 5 МГЦ и требует входной мощности до 100 мВт. Применение отдельного генератора возбуждения позволяет избежать межмодуляционных помех при совместной работе двух и более измерителей пульсаций течения подобного типа в одном измерительном комплексе.

Модулятор работает как каскад усилителя мощности класса С с изменяемым углом отсечки от 0 до 90°. Стопроцентная модуляция достигается изменением угла отсечки от 90 до 0°. Нелинейность зависимости выходной мощности от напряжения, подводимого к модулятору, которая возникает при таком способе модуляции, отрицательного влияния не оказывает.

С предусилителя-модулятора сигнал поступает на амплитудный детектор, а затем на демодулятор, представляющий собой три типовых детектора. Затем разделенные сигналы поступают на чувствительного элемента.

Рис. 3. Блок-схема измерителя пульсаций скорости с трехступенчатым перегревом

В термоанемометрическом измерителе пульсаций скорости с тремя перегревами возможно обеспечить как медленное тактирование при периоде следования, например, 10 с, так и выборочное включение любого из трех заданных перегревов. В этом случае сигнал, соответствующий температуре перегрева T1, будет поступать через синхронный пиковый детектор в свой канал усилителя пульсаций, остальные же каналы будут отключены. При этом отпадает необходимость и в фильтре нижних частот.

Рис. 4. Блок-схема термоанемометра с тремя перегревами.

Следует отметить, что принципиально возможен вариант реализации схемы мостового термоанемометра постоянной температуры, если чувствительный элемент включить в измерительный мост. Тогда опорным плечом моста задается температура перегрева, а сигнал разбаланса подается на управление модулятором. Однако, в этом случае режим быстроменяющихся трех перегревов становится невозможен из-за переходных процессов в петле автоматической регулировки перегрева.

Возможен также вариант модуляции мощности, подводимой к чувствительному элементу короткоимпульсным сигналом или сигналом какой-либо иной формы с подачей его с выхода амплитудного детектора на вход быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, выполняющего три и более опросов выходного напряжения в течение одного периода модулирующего сигнала. В этом случае отпадает необходимость в синхронном Детектировании и разделении сигналов разных перегревов.

Другим типом измерителя пульсаций компонентов скорости потока является электромагнитный измеритель. Принцип его действия основан на явлении электромагнитной индукции, которое используется и для измерения средних значений скорости потока, рассмотренного ранее.

Электромагнитный преобразователь измерителя пульсаций скорости представляет собой мощный постоянный магнит сложной конфигурации, между полюсами которого установлены два электрода из платиновой черни.

Если магнитная индукция и расстояние между электродами неизменны, то ЭДС является мерой скорости потока.

Измерители электромагнитного типа просты по структуре и в схемном решении и состоят всего лишь из электромагнитного преобразователя и двухкаскадного усилителя. Электроды измерителя подключены к дифференциальному согласующему усилителю с малым уровнем собственных шумов и с большим входным сопротивлением порядка 20 МОм. С выхода согласующего усилителя сигнал, пропорциональный пульсации скорости потока, поступает на усилитель пульсаций. Напряжение на выходе усилителя пропорционально скорости потока. Такой электромагнитный измеритель пульсаций скорости может работать в диапазоне средних значений скоростей от 0 до 10 м/с и измерять пульсации скорости в диапазоне от 0,001 до 0,4 м/с. При этом уровень собственных шумов измерителя составляет 0,8 мм/с. Частотный диапазон, в котором может работать электромагнитный измеритель, составляет от 1 до 400 Гц. Из этого видно, что электромагнитный измеритель несколько уступает термоанемометрическим измерителям по уровню собственных шумов и частотному диапазону измеряемых пульсаций скорости.

Для измерения медленных пульсаций скорости потока используются измерители с чувствительными вертушечными преобразователями. Их важным достоинством следует считать нечувствительность к изменению всех параметров воды, кроме скорости.

Наилучшими характеристиками обладают измерители, использующие микровертушку типа Х-6. В ней для регистрации числа оборотов используется электролитический однополюсный способ формирования импульсов. Применение такой микровертушки позволяет существенно уменьшить размеры лопастного винта и свести к минимуму возмущения потока датчиком. При этом уменьшились масса и момент инерции лопастного винта, что расширяет возможности измерителя.

Блок-схема измерителя пульсаций вертушечного типа приведена на рис. 5.

Напряжение частотой 60 кГц создается генератором заполнения и затем модулируется датчиком. Амплитудный детектор выделяет затем сигнал, частота изменения которого пропорциональна скорости вращения винта микровертушки. Это напряжение усиливается усилителем-ограничителем и поступает на вход ждущего мультивибратора, который формирует прямоугольные импульсы кодированной длительности. С выхода мультивибратора импульсы поступают на регистратор.

Рис. 5. Блок-схема измерителя пульсаций скорости с микровертушкой.

Измеритель пульсаций скорости потока с микровертушечным датчиком регистрирует среднюю скорость и медленные ее пульсации. Диапазон частот, охватываемый измерителем, находится в пределах от 0 до 12,5 Гц и определяется постоянной времени самой микровертушки. Диапазон средних скоростей, которые регистрирует измеритель, составляет 0,02—5 м/с.

Измеритель пульсаций скорости потока вертушечного типа имеет линейную градуировочную характеристику и отличается конструктивной и структурной простотой, а также надежностью.

Для измерения пульсаций удельной электропроводимости в настоящее время используются гидрорезисторный, капиллярно-контактный и капиллярно-трансформаторный измерители.

Следует заметить, что при исследовании тонкой структуры океана необходимо регистрировать электропроводимость с погрешностью 5-Ю-5—2-10~4 См/м, которая соответствует градиентным прослойкам от нескольких сантиметров до нескольких метров.

Для измерителя электропроводимости используется датчик такой же конструкции, как и датчик скорости потока. Роль чувствительного элемента в этом измерителе играет тот же объем воды вблизи электродов датчика.

Среднее эквивалентное сопротивление этого объема воды на частоте 5 МГц составляет 100—200 Ом в зависимости от температуры и солености. Некоторое отличие функциональных схем, преобразующих сигналы датчика электропроводимости и датчика скорости потока, состоит в том, что датчик электропроводимости включен в мостовую измерительную схему, питаемую от измерительного генератора, на детектор же поступает сигнал разбаланса моста. После предварительного усиления часть сигнала, соответ-. ствующего среднему значению электропроводимости, снимается на регистратор, а другая часть, соответствующая пульсационной составляющей электропроводимости, снимается с усилителя пульсаций, отсекающего постоянную составляющую.

Рис. 6. Блок-схема измерителя пульсаций электрической проводимости.

Измеритель пульсаций электропроводимости характеризуется рабочей полосой частот от 1 до 1000 Гц. Средний уровень собственных шумов измерителя в рабочей полосе частот, приведенный тс единице электропроводимости, составляет 3-10-3 См/м.

По сигналу средней электропроводимости измеритель имеет чувствительность 0,0083 В-м/См, а по пульсации электропроводимости—0,166 В-м/См.

Капиллярно-контактный измеритель удельной электропроводимости имеет два платиновых электрода. При этом они конструктивно выполнены так, что линии тока между контактами замыкаются только через капиллярный канал. Это позволяет сконцентрировать не менее 90 % измеряемого сопротивления жидкости в очень малом объеме, обеспечив максимальную плотность тока в нем, что позволяет достигнуть высокой чувствительности преобразователя. Масштаб осреднения капиллярно-контактных преобразователей определяется размерами капилляра.

Капиллярно-трансформаторный измеритель пульсаций удельной электропроводимости с достаточно высокой точностью и в широком диапазоне измеряет пульсации. Принцип его действия заключается в локализации чувствительной зоны в малом объеме жидкости — в капилляре и его краевых зонах. Жидкостный виток, формируемый корпусом преобразователя, с размещенным в нем блоком измерительных трансформаторов замкнут через капилляр, находящийся в диэлектрическом обтекателе, который герметично соединен с корпусом уплотнениями. При определенных соотношениях между длиной и диаметром капилляра в капилляре и его краевых зонах сосредоточена основная часть общего сопротивления жидкостного витка. При работе преобразователя электропроводимости в потоке динамическое давление на входе в капилляр обеспечивает протекание жидкости через него, а также постоянное обновление электролита в чувствительной зоне.

Изменение температуры воды приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента и, следовательно, к изменению соотношения измерительной мостовой схемы.

На рис. 7 представлена блок-схема измерителя пульсаций температуры. В этой схеме задающий генератор вырабатывает напряжение частотой 10 кГц, которое после калибровки амплитуды через эмиттерный повторитель подается для питания измерительного равноплечего трансформаторного моста. В измерительный мост включен чувствительный элемент датчика температуры. В целях увеличения помехозащищенности схемы измерителя мост настраивается так, что предполагаемое изменение температуры воды не должно вызывать перехода через точку баланса моста. В этом случае в процессе измерений будет меняться только амплитуда напряжения питания частотой 10 кГц без изменения фазы модуляции. Сигнал разбаланса через предварительный усилитель, линию связи и полосовой фильтр поступает в схему компенсации разбаланса моста, затем через второй полосовой фильтр и усилитель подается на самосинхронизирующий детектор и далее на фильтр низкой частоты с полосой пропускания до 1 кГц. Прсле усилителя пульсаций этот сигнал, пропорциональный пульсациям температуры, поступает на регистрацию.

Если применять двухпленочный датчик температуры, у которого одна из пленок имеет большую постоянную времени, можно, включая пленки в соседние плечи моста, добиться автоматической компенсации изменения средней температуры воды.

Рис. 7. Блок-схема измерителя пульсаций температуры.

Рассмотренные физические основы и методы измерения пульсаций параметров воды в настоящее время обеспечивают проведение практических экспериментальных исследований в океане.

Подобно измерениям средних значений параметров пульсационные характеристики также измеряются комплексно с сохранением единства места и времени измерений. Для измерений пульсационных характеристик океана созданы экспериментальные зондирующие и буксируемые комплексы.

В основание разработок положен модульный подход к созданию измерительных комплексов. Разработаны типо-размеры датчиков, электронных схем преобразования сигнала, устройств передачи информации по кабельной линии связи и устройств регистрации. Такой подход позволяет использовать элементную и системную базу как для зондирующих комплексов, так и для буксируемых или стационарно устанавливаемых.

При этом, как выяснилось, возможно создание комбинации чувствительных элементов измерителей, которая позволяет проводить одновременные измерения нескольких пульсационных составляющих. Это часто ведет к упрощению аппаратурной реализации комплексов. Примером может служить измеритель с двухпленоч-ным чувствительным элементом, одна из пленок которого включена в схему измерителя пульсаций скорости, а другая — в схему измерения пульсаций температуры.

Это позволило измерить в одной точке пульсации скорости и температуры.

Трехэлементный комбинированный чувствительный элемент имеет центральный точечный электрод и два пленочных чувствительных элемента. С его помощью можно вести измерения трех пульсационных параметров в одной точке — пульсацию электропроводимости по гидрорезисторному принципу, используя центральный электрод, а также пульсации температуры и скорости течения с использованием пленочных чувствительных элементов.

Очевидно, что подобное направление создания комбинированных датчиков следует признать перспективным, особенно учитывая общую тенденцию применения комплексной аппаратуры для гидрофизических исследований.

Помимо широкого использования зондирующих и буксируемых устройств, предназначенных для измерения средних значений параметров среды, в последние годы появились и эффективно применяются комплексные системы, способные измерять как средние значения параметров, так и их пульсации. Вполне очевидно, что такой подход создания гидрофизической аппаратуры имеет большие перспективы. Такой гидрофизический зонд или буксируемый прибор в зависимости от задач может использоваться в самых различных сочетаниях датчиков.

Рассмотрим один из возможных вариантов структуры комплексного гидрофизического зонда, созданного в ОКБ океанологической техники ИОАН. Зонд предназначен для исследования мелкомасштабной турбулентности и тонкой структуры гидрофизических полей океана. Он позволяет одновременно измерять средние и пульсационные составляющие скорости, электропроводимости и температуры воды. Измерения могут осуществляться в различных режимах: зондированием до 500 м на кабель-тросе; зависанием на горизонте (при этом измеряется азимут); свободным падением до глубины 300 м.

Передача измеренной информации осуществляется по одножильному кабель-тросу длиной до 750 м. Одновременно передаются аналоговые и частотные сигналы. Для управления зондом существует кодовая система команд, которая обеспечивает передачу четырех независимых команд.

На рис. 9 приведена обобщенная блок-схема погружаемой части зонда. Сигналы от датчиков с аналоговым входом поступает на входные буферные устройства и далее на алфавитно-цифровую печать (АЦП). На АЦП поступает также тактовая частота шт с кварцевого генератора тактовых импульсов. С выхода АЦП параллельный десятиразрядный двоичный код поступает на формирователь кода, где превращается в последовательный код. Помимо этого, в формирователе кода вырабатывается маркер канала. Маркер заполняется двумя частотами одновременно.

Рис. 8. Зонд-модуль.

Рис. 9. Блок-схема погружаемой части зонда.

Код другого канала АЦП также формируется в модуляторе: «1» — частотой с генератора озг, «О» — частотой с генератора, а маркер — обеими частотами одновременно. Эти сигналы поступают в смеситель, который передает информацию в линию связи. На смеситель, кроме того, непосредственно поступают сигналы от датчиков с частотным выходом.

На борту судна сигналы с линии связи поступают на входной блок, полосовыми фильтрами распределяются по каналам. Далее сигнал усиливается и поступает на формирователь, где он преобразуется в прямоугольные импульсы. Сформированные импульсы поступают на схему выделения, а затем на дешифратор и регистр. С выхода регистра параллельный двоичный код поступает на выход блока и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). С выхода ЦАП аналоговый сигнал через усилитель проходит фильтр низких частот, после чего сигнал регистрируется.

Сигналы с датчиков с частотным выходом через полосовые фильтры поступают на блоки преобразователей частота—аналог. В этом блоке сигнал поступает через входной каскад на делитель или прямо на счетчик. С делителя сигнал поступает на регистр, а с выхода регистра параллельный двоичный код в свою очередь поступает на преобразователь напряжения и далее на ЦАП. Полученное напряжение, пропорциональное измеренному параметру, поступает на регистрацию через буферный усилитель.


Читать далее:

Категория Методы океанологии