Способ автоматического определения в условиях океана параметров состояния морской воды Советский патент 1980 года по МПК G01N21/46 

(54) СПОСОБ АВТО УСЛОВИЯХ ОК Изобретение относится к области оке- aнoлoгичecкиk исследований и может быть использовано при построений автономных устройств для комплексных квазисинхрон- . ных параметров различных гидрофизических-полей Океана: темп.ературы, со/1ености и плотности.. ,. Известны способы определения взаимосвязанных гидрологических параметров морской воды путем измерения текущих . значений электропроводности и температуры вычисления других параметров, например солености, по различным эмпиричес КИМ формулам 1., Известен также способ автоматическо-. го определения в условиях Океана параметров состояния морской воды; температуры, солености и плотности, путем синхронного измере1шя текущих значений двух . МОРС ТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ В НА ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ . Й ВОДЫ . ...- -, циоиности, присущей измерителям температуры, он ограгшчивает пространственно . временное разрешение исследуемых гидрофизических полей, например, температуры и функционально связанных с ней солености и плотности. . .. Поэтому при исследовании тонкой Структуры, и, особенно, пульсагшонных составляющих гидрофизических полей существующий способ не может обеспечить необходимое пространственно-временное разрешение при сохранении требуемой точности измерений. Цель предлагаемого изобретения - повыщенйе быстродействия и разрешающей способности при комплексном определении в кваз1феальном масщтабе времени средних ти распространеггия звука, после чего искомую величину вычисляют по формуле: Ю КаХзв ОПТ - значение определяемого парагде J, метра (температуры, к 1; соленности, к 2; плотности, к 3) измеряемые текущие значения скорости распространения звука опт - измеряемые текущие значения оптического показателя прелбм „.. , . ления: . .-..----r- m - порядок учета нелинейных свя« . зей в аппроксимирующих полиномах; - заранее определяемые по извес ным табличным данным постоя ные коэффициенты. Выражение (1) представляет собой по лином, степень m которого бйредёляётся необходимой точностью вычислений искомых параметров.., Значения коэффициентов C(j попиноиа, дла каждого из определяемых параметров, вычисляют методом наименьших квадратов по известному массиву табличных данных о взаимосвязях гидрофизичес ких полей и заранее заводят в додговременную память вычислительного устройства. . :-. : . . ;,/- ,,,......„Значения этих коэффициентов .могут быть также уточнены на основе градуиро вочных характеристик измерителей показётёля .преломления и скорости звука, полученных а лабораторных условиях. На фиг 1, 2, 3, представлены график зависимости среднёКйадр1атиЧ1Ж й погрешности Ытрёделенйя солености, плотности 1 Т§йпёратуры, соответственно от точнос ти йЭйёренйй рпт-ичёско го показателя пре ; лрмления и скорости звука; на фиг. 4, 5, и 6 изображены графики зависимости солености, условной плотности и темпера турь o-faHOM алий показателя преломления и скО ростй звука. Из приведенных графиков {фиг. 1, 2 и З) видно, что при измерении показателя преломления с точностью 2 10 1и скорости звука с точностью 0,1 инструментальные погрешности определения солености, плотности и температуры не превышают 2,ё ,- .из 3,5 10 €, соответственно.. Если точность измерения скорости звука задать равной 0,02 м/сех, то ttot piefflHOeTt можно довести до значений не превъш1а.юших для солености. 9-Ю для плотности, 910 С - для температуры. Из приведенных графиков также видно, что при уменьшении температуры измеряе .мой среды требования к точности измерения скорости звука снижаются в 2-3 раза, .что особенно выгодно при исследованиях на больших глубинах, где средняя температура водных масс не превышает единиц градусов. Для грубой оценки зависимости солености, плотности и температуры от аномалий показателя преломления и скорости звука на фиг. 4, 5 и 6 приведены графики этих зависимостей, полученных расчетным путем на основе приведенного в качестве примера аппроксимирующего полинома третьей степени.. Таким образом , для автоматического определения гидрологических параметров морской воды - температуры, солености и плотности синхронно измеряют величипреломленияны оптического показателя о.е (отно- с точностью не ниже 2.10 сительных единиц) и пространственным разрешением порядка см-дцк и скорости распространения звука с точностью 0,02г ОД м/сек при том же пространственном разрешении, а также вьгаисляют искомые величины температуры, солености и плотности. Для реализации предлагаемого способа должны быть использованы измерители оптического показателя преломлением (например рефрактометрические или интерфе- ренционные) и скорости распространения звука (например, магнитострикционные или пьезоэлектрические), обладающие высоким быстродействием при малом просмотровом объеме, благодаря чему обеспечивается необходимое пространственновременное разрешение. Вычисление искомых параметров (температуры, солености и плотности) в соответствии с уравнением (1) может быть выполне.но, например использованием су« шествующих ЭВМ ограниченной мощности и быстродействия (например, СЦРМ Карат, Экспресс-., Роса и т, п.). Пример; В качестве примера разработан аппроксимирующий полином третьей степени Относительно измеряемых величин и определены значения его коэффициентов для пересчета измеренных значений показателя преломления и скорости звука к значениям солености, плотности и температуры. Для уп следующие где л лпо„, Попт uVjg V, 57176336ощения аппроксимации принятыОпределены коэффициенты полинома понятия:для зависимостей солености условной плот|-10 ; (опт Vти звука и показателя преломления, т.е. -i43o)y аномалия плотности воды, в условных единицах (у.е.);к ( опт) , о к ij з е . плотность воды J в г/см ;где S - соленость в o/ooj аномалия показателя преломле- 0в температура, в °С; ния, в условных единицах, (у,е.)К - индекс параметра, значения показатель преломления воды, .кбторого определяЕотся в относительных единицах (о.е.) - коэффициенты членов полиноаномалия скорости звука в воде,ма. в условных единицах; . Полученные значения полинома предскорость звука в воде, в м/сек.ставлены в таблице. Коэффициентыполинома . ности и температуры от аномалей скорости звука и показателя преломления, т.е. 5 ,An); , ).

+ 1,45172 1 10 + 5,69286 10 + 5,38471 -10 + , + 4 2,70014 10 7,95943 1О 1,01228 1О + 3,53464 10 + ч-5 5,16695 -10 1,06012- 10 4,92972- 10 .+ 8,43176 10

Максимальные погрешности аппроксимации по среднеквадратичной оценке составляют: для солености не более 0, в диапазоне от 30 до 40 %о; для плотности не более 3-10 диапазоне от 1,019 до 1,032 для температуры не более 0,04°С в диапазоне от О до ЗО При необходимости уменьшение погрешностей достигается увеличением степени аппроксимирующего полинома или сокра щением диапазона измерений. Также су-, щественно дальнейшее уточнение исходных эталонных табличных данных 1,15078 loV + 4,24447 10 + 4,45675 1,64564 + 4,59183 10 1,14792 1О 1,82782 Ю + 7,90807 Ю .6,17380 10 2 82251 10 2,05367- 10 2,30975- 10 .3,97895 10 1,87190 10 2,13224- 10 9,88452 -10 3,32837 1.0 4,44124 10 1,41972 10 (см. Зубов Н. Н, Океанологические таблицы, ГИМИЗ, Л., 1957 и Таблицы для расчета скорости звука ь морской воде, УГС ВМФ, 1965),. которые в настоящее время известны с ограниченной точностью и являются Основным источником погрешностей аппроксимации: Для определения требования к точности измерителей на основе известных табличньк данных были расчетным путем получены забИс имости погрешностей определения солености, плотности темперагуры и точности измерений показателя препрмле гая скорости звука. Использование предлагаемого способа определения параметров состояния морской воды в условиях океана позволяет создать автономные устройства для комплексных синхронных измерений различных 5 гидрофизических полей: температуры, со ледасти, плотности. В отличие от существующих способов предлагаемый способ, благодаря широкому частотному диапазону измерителей опти- Ю ческого показателя преломления и скорооти распространения звука, обеспечивает возможность исследований тошсой структуры и пульсационных составляющих, т.е. пространственно-временных характеристик 5 изучаемых гидрофизических полей. Формула изобрете, ния Способ автоматического определения в УСЛОВИЯХ океана параметров состоя1шя морской воды; температуры, солености и плотности, путём синхронного измерения текущих значений двух из совокупности йэайййсвяза йных параметров и последующего вычисления значений других параметров, отличающийся тем, что, С целью повъпяения быстродействия и разрешающей способности при комплексном определении в квазиреальном масщтабе времени средних и пульсационных значений .температуры, солеюсти и плотности. син опт ско чег му при фич 19 фич 19 хронно измеряют текущие значения ического показателя преломле гая и рости распространения звука, после о искомую величину вычисляют по форе:m гпI j «ifo o где Ji значение определяемого параметра (температуры , ПЛОТНОСТИ соленорти к 3)Г измеряемые текущие значения скорости звука; измеряемые текущие значения оптического показателя преломления, порядок учета нелинейных связей в аппроксимирующих. полиномах, - заранее определяемые по известным табличным данным постоянные коэффициен,ты. Источники информации, нятые во ВЕШмание при экспертизе 1.Маклаков А. Ф, и др. Океанограеские приборы. Л., Тидрометеоиздат, 75, с. 261-270. 2,Маклаков А. Ф. и др. Океанограеские приборы. Л., Гидрометеоиздат, 75, с. 54-59, 281-283.

S

« d

J о / у у lU

/ovffocme t/jA/e/fffAfA ff frг iffOJo/n Jfff

. /

Точность uj ffpffHusf nff/faJOfne/ ff nflff o/ ef tuff

Фиг. 2

-.ri4 i- :-V4 f«: - -717633

i/2.3

j4

Амомалиу помозотела fjflf/7onf/ e ejfi

Af.Bye

I. ZS1

Аномалии nofrosafnf fi препо(ения Фиг.У.

&V-at OMOjiug eitopoemu atytta f ° ° °

Фиг 4 /Аномалия пвназй/пе/ я п/зе омлваия гj4 Фш. ff 5 &п,8у.е