СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИМ ЗОНДОМ В СЛОЯХ С БОЛЬШИМИ ГРАДИЕНТАМИ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2002 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования параметров короткопериодных внутренних волн, возникающих в слоях большими градиентами плотности, турбулентных процессов и ряда других физических задач при проведении наблюдений с борта дрейфующего судна или островного основания.

Известен способ вычисления фактической инерционности измерения температуры и достоверности определения солености в океане с помощью термосолезондов [1] и Программа вычисления океанографических характеристик ("Океан 3") [2]. Разработано и опубликовано "Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях", в котором приведены методики проведения наблюдений гидрологическими зондами в режимах: одноразового зондирования; многоразового зондирования; измерения на одном горизонте; измерения в режиме буксировки [3].

В работе [4] приведены технические характеристики зондирующих, буксируемых и автономных измерительных приборов.

Все перечисленные способы не позволяют устранить динамическую погрешность, возникающую из-за неодновременного (поочередного) опроса измерительных каналов и наличия постоянной времени первичных измерительных преобразований (например, температуры) при зондировании слоев с большими градиентами измеряемых параметров.

Предлагаемый способ исследования предусматривает зондирование слоев с большими градиентами измеряемых параметров без ограничения скорости погружения и подъема прибора с записью информации при движении зонда вниз и вверх.

При первичной обработке информации данный способ предусматривает: интерполяцию данных всех измерительных каналов к одному моменту времени по циклу измерения; фильтрации случайных погрешностей; вычисление среднего значения измеренных параметров на каждом горизонте, получаемых при зондировании вниз и вверх.

Сущность изобретения
В данной заявке решается задача сокращения времени проведения зондирования, исключения динамических погрешностей при измерениях зондом гидрологическим в слоях с большими градиентами измеряемых параметров, расширяется диапазон исследований гидрофизических процессов с использованием методики многократных зондирований зондом гидрологическим.

При этом, предложенный способ отличается от ранее используемых методик [4] тем, что позволяет зондировать (опускать и поднимать погружаемое устройство зонда) с большой скоростью, не учитывая величины градиентов измеряемых параметров, проводить повторные (многократные) зондирования с малыми интервалами между ними (единицы, десятки минут), что, в свою очередь, позволяет с использованием данного способа измерения проводить исследования короткотриодных внутренних волн, турбулентных процессов, т.е. проводить эксперименты, ранее для этой измерительной аппаратуры недоступные. Основанием для разработки "Способа измерения гидрологическим зондом в слоях с большими градиентами измеряемых параметров" послужили исследования, проведенные автором в различных районах Мирового океана. Проведенные исследования показали, что в отличие от методик измерений гидрологическим зондом, приведенных в работе [4], и с учетом технических возможностей гидрологических зондов, приведенных в работе [3], возможно внедрение в практику работы с зондами гидрологическими нового Способа измерения распределения гидрологических параметров по глубине при зондировании без ограничения скорости движения прибора даже при прохождении им слоев с большими градиентами измеряемых параметров.

В качестве иллюстрации предложенного способа рассмотрим коррекцию динамической погрешности измерения температуры, возникающую из-за инерционности датчика температуры при проведении измерений зондом гидрологическим в слоях с большими градиентами измеряемых параметров и поочередного опроса измерительных каналов, температуры, удельную электрическую проводимость, гидростатического давления и контрольного [3].

Расчет скорректированных показаний проведем по отрезку времени, равному трем циклам измерений τ. Показания канала температуры t(τ) при этом могут быть описаны кривой второго порядка.

t = a₀+a₁τ+a₂τ²; (1)
где a₀, a₁, a₂ - неизвестные коэффициенты.

Показания канала температуры среды описываются дифференциальным уравнением для инерционной системы.

где θ - постоянная времени. Подставив в это уравнение соотношение (1), получаем зависимость изменения температуры воды T в следующем виде:
T = (a₀+θa₁)+(2a₂+a₁)τ+a₂τ²; (3)
Коэффициенты a₀, a₁, a₂ находятся для ν отрезка времени по известным показаниям датчика из системы уравнений
a_0ν = t_ν,
a_0ν+a_1νL+a_2νL² = t_ν+1,
a_0ν+2a₁νL+4a_2νL² = t_ν+2; (4)
где L - интервал времени между соседними измерениями. Выражение для текущего скорректированного значения температуры запишем в виде

При этом ближайший момент измерения удельной электропроводности отстоит от момента измерения температуры на 3/4L, то скорректированное значение температуры для участка будет равно

Значение скорректированной температуры соответствует отрезку времени в цикле опроса ν+1, т. е. времени опроса измерительного канала удельной электропроводности. Далее операция повторяется и следующее скорректированное значение температуры получается скользящим сдвигом показаний t_ν+1, т.е. сдвигается на один цикл измерения.

Измерительный канал удельной электрической проводимости для данной системы измерения можно считать безинерционным. Его постоянная времени равна полупериоду частоты источника питания датчика электропроводности. Для зондов, разработанных в нашей стране f=5000 Гц, т.е. постоянная времени датчика электропроводности равна 0,0001 с.

Привязка показаний канала глубины к моменту измерений удельной электрической проводимости осуществляется при помощи линейной интерполяции.

Полученные значения величин температуры, удельной электропроводности и глубины используется для расчета солености морской воды и других вторичных параметров. Эффективность коррекции динамической погрешности проверялась на Черном море сравнением TS-диаграмм, полученных при опускании и подъеме зонда через слои с большими градиентами измеряемых параметров. На фиг.1 приведена TS-диаграмма, построенная по полученным данным без коррекции динамической погрешности, а на фиг.2, 3 - TS-диаграмма, построенная по скорректированным данным этого же зондирования.

На фиг. 1 наблюдается значительный гистерезис в слоях с большими градиентами измеряемых параметров, при этом ширину петли можно считать равной удвоенной величине погрешности, полученной при данном измерении солености, и лежит в пределах 0,3-0,4%, что на 2 порядка больше статической погрешности. Данные измерений без корректировки динамической погрешности не могут быть использованы для решения задач экспериментальных исследований. Ранее для устранения этого недостатка зондирование проводилось на маленькой скорости опускания [4] прибора 0,1-0,2 м/с и даже с остановкой на глубинах залегания слоев с большими градиентами измеряемых параметров, но при этом возникала еще одна проблема, связанная с бортовой качкой судна, которая соизмерима с такой скоростью опускания прибора и имеет знакопеременный вектор, т.е. прибор практически начинает при опускании или подъеме прибора останавливаться и даже менять направление движения. Это явление исключено при скоростях зондирования более 1 м/с. На фиг. 2 расхождение между данными, полученными при подъеме и опускании прибора с коррекцией динамической погрешности, равна 0,06-0,07%, что практически соответствует точности по солености, полученной в лабораторных условиях. Второй операцией, которую необходимо произвести при измерении зондом гидрологическим в слоях с большими градиентами измеряемых параметров с подъемом и опусканием прибора на большой скорости, является фильтрация возникающих при этом случайных погрешностей измерений. Проанализировав различные типы фильтров, наиболее часто применяющиеся в подобных операциях, мы остановились на двух типах: косинусным фильтром и фильтром скользящего среднего. Опыт обработки информации показал, что из двух этих фильтров предпочтение можно отдать фильтру скользящего среднего.

Алгоритм фильтрации можно представить в виде обычной скользящей линейной комбинации

где S_Fi - текущее профильтрованное значение;
S_i - текущее значение;
С_q - коэффициенты весовой функции фильтра;
l - интервал сглаживания.

Третьей операцией по исключению динамической погрешности при зондировании слоев с большими градиентами измеряемых параметров является вычисление среднего арифметического двух показаний измерительных каналов на одном горизонте (глубине погружения прибора), полученных при погружении и подъеме погружаемого устройства, уже прошедших две первые операции обработки.

На фиг. 3 приведены TS-диаграммы, построенные по результатам скорректированным, профильтрованным и осредненным. Расхождение между кривыми менее 0,03%, что соответствует точности измерения солености, достигнутой при лабораторных испытаниях в статистическом режиме. Таким образом, разработан и опробирован в экспериментальных исследованиях способ исключения динамической погрешности при измерениях зондирующим прибором в слоях, имеющих большие градиенты измеряемых параметров.

Разработанный способ позволяет: сократить время эксперимента при единичном зондировании; обеспечить достоверность получаемой информации; проводить экспериментальные исследования короткопериодных внутренних волн, возникающих в слоях с большими градиентами измеряемых параметров; проводить повторные зондирования с большой частотой и долговременные наблюдения с целью получения представительных рядов при проведении экспериментов.

Источники информации
1. Федоров К. К. , Прохоров В.И. О фактической инерционности измерения температуры и достоверности определения солености в океане с помощью термосолезондов. - "Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана", 1972.

2. Морозов А. Ф. и др. Программа вычисления океанографических характеристик ("Океан-3") - В кн.: "Программы для ЭЦВМ "Минск-22", составленные в Центре океанографических данных в 1969 г. М., Гидрометеоиздат, 1971.

3. Нелепо Б. А., Смирнов Г.В., Шадрин А.Б. Интегрированные системы для гидрофизических исследований. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990, 237 с.

4. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1977, 725 с.

Использование: при исследованиях океана. Сущность: зондирование производится без ограничения скорости погружения и подъема прибора. Регистрация информации осуществляется постоянно при погружении и подъеме прибора. При первичной обработке получаемой информации производится интерполяция данных, получаемых от измерительных каналов, опрашиваемых поочередно к одному моменту времени за цикл измерения. Осуществляется фильтрация случайных погрешностей. Затем производится вычисление среднего из двух измерений, получаемых на одном горизонте при движении зонда вниз и вверх. Технический результат: сокращение времени, обеспечение достоверности получаемой информации. 3 ил.

Способ измерения гидрологическим зондом в слоях с большими градиентами измеряемых параметров, отличающийся тем, что зондирование производится без ограничения скорости погружения и подъема прибора для коррекции динамических погрешностей, возникающих при зондировании слоев с большими градиентами измеряемых параметров, запись информации производится непрерывно при погружении и подъеме прибора, при первичной обработке измеряемых данных производится интерполяция показаний всех измерительных каналов к одному моменту времени для цикла измерений, осуществляется фильтрация случайных погрешностей и вычисление среднего двух измерений на одном горизонте, получаемых при зондировании вверх и вниз.