Измеритель вертикальной скорости движения воды в стратифицированных водоемах Советский патент 1982 года по МПК G01P5/00 

() ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ

1

Изобретение относится к техни ке скорости движения текучих сред, а именно вертикальной скорости перемещения воды, и может быть использова- но при океанографических и ли.мнологических, исследованиях.

Известны автономные измерители вертикальной скорости движения воды, основанные на определении вертикальной скорости смещения изолиний ,Q какой-либо гидрологической характеристики водной среды путем измерения скалярной величины на измерительном горизонте и ее вертикального градиента, определенного в среднем для ece-jj го района исследований. Измеряемой гидрологической характеристикой водной среды может быть температура, скорость распространения звука, показатели ослабления направленного 20 света и радиоактивного излучения и т.п., а измерительная аппаратура выполняется в виде гидрологических зондов l. ВОДОЕМАХ

Однако в естественных водоемах вертикальный градиент гидрологической характеристики водной среды сильно изменяется во времени и пространстве вследствие воздействия различных факторов, что делает оценку вертикальной скорости движения воды с использованием осреднеиного вертикального градиента практически непригодной из-за низкой точности его оценки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автоматизированный измеритель скорости звука и текущего значения ее вертикального градиента.

Измеритель содержит два разнесенных по вертикальной базе точечных датчика гидрологического параметра, блок управления, источник питания, коммутатор каналов и регистратор, при этом точечные датчики гидрологического параметра через коммутатор каналов подсоединены к связанным межfly собой источнику питания, блоку управления и регистратору. По данным, зарегистрированным ав томатизированным измерителем, определяют значения вертикальной скорости движения воды по известной математической зависимости -:- 21/±1. 3tl,9Z / ЭТ 5Т ъг зстные производные из менения гидрологической характеристики по времени t и глубине z 2 J. Однако неизбежная аппроксимация производных с помощью конечных разностей по времени (At) и по вертикали (AZ) связана с появлением-ошибок, особенно существенных приоцен ке ЭТ/ЭХ-Это обусловлено тем,, что все гидролЬгические характеристики естественных водоемов обладают ступенчатой структурой вертикального распределения, профиль которого час то выглядит в виде чередующихся тон ких слоев, на границах которых ,происходят резкие изменения значений гидрологических характеристик. Если точечные датчики, измеряющие .значени гидрологической характеристики, например, температуры Т и Т, на измерительных горизонтах z и zj, находятся в однородных, но отличающи ся друг от друга по знамению Т слоях (между датчиками может находиться одна или несколько прослоек, в ко торых Т резко меняется с глубиной), то известный автоматизированный измеритель не зафиксирует никакой вертикальной скорости, несмотря на наличие вертикальных движений в изуча емом стратифицированном слое, поскольку ни один из точечных датчиков не обнаружит временного измене ния Т. Этот часто встречающийся при изучении внутренних волн случай сИль но ограничивает применимость известного автоматизированного измерителя и делает его непригодным например, при изучении волн на прослойках и в резких скачках гидрологических характеристик. Кроме того, при определении вертикальной скорости движения воды по математической зaвиcимoctи (1) делается предположение, что изменение гидрологических характеристик с глубиной происходит линейно. 6 естественных водоемах наблюдается нели94 нейное распределение гидрологических характеристик с глубиной, что влияет на точность определения вертикальной скорости движения воды по данным автоматизированного измерителя . Для устранения влияния нелинейности распределения гидрологической характеристики, а следовательны о, для повышения точности измерений в таких условиях требуется уменьшение вертикальной базы между двумя измерительными горизонтами и повышение чувствительности измерителей до уровНя, близкого к метрологическому пределу это требует значительного увеличения продолжительности измерений для получения статически достоверных рузультатов наблюдений. Целью изобретения является повышение точности измерений и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в измеритель дополнительно введен интегральный датчик осредненных вдоль вертикальной базы значений гидрологического параметра, размещенный на вертикальной базе между точечными датчиками гидрологического параметра, причем его выход подсоединен к одному из входов коммутатора каналов. На фиг. 1 схематично показано размещение точечных датчиков гидрологического параметра (температуры) на измерительных горизонтах z , z и профиль параметра в моменты времени (t) и t2.T2(t) (для случая измерителя с двумя точечными датчиками); на фиг. 2 показан ход во времени значений гидрологической характеристики на измерительном горизонте - -. на измерительном .горизонте в слое погружения интегрального датчика Т при вертикальной стратификации гидрофизической характеристики, изображенной на фиг. 1; на фиг. 3 - структурная схема.выполнения измерителя вертикальной скорости движения воды в стратифицированных водоемах. Измеритель (фиг. 3)содержит два точечных датчика 1 и 2 гидрологического параметра, интегральный датчик 3 осредненных вдоль вертикальной базы значений гидрологического параметра, размещенный между точечными датчиками, коммутатор 4 каналов. 5 блок 5 управления, источник 6 питания и регистратор 7. Выход коммутатора 4 каналов соед нен входом преобразователя с регистратором 7. Выходными параметрами точечных датчиков 1 и 2 гидрологического параметра, например, температуры, является омическое сопротивление, про порциональное температуре воды на измерительных горизонтах г и z. Интегральный датчик 3 гидрологического параметра установлен на вер тикальной базе между точечными датчиками 1 и 2. Он может быть выполнен в виде помещенного в слой жидко сти отрезка проводника, омическое сопротивление которого пропорционально средней температуре всего СЛОЯ погружения (между точечными датчиками 1 и 2). Коммутатор k каналов предназначен для поочередного подключения всех датчиков к регистратору 7 и выполнен на интегральных микросхемах. Блок 5 управления обеспечивает функционирование измерителя в целом по заданно алгоритму измерений и состоит из кварцевого генератора, электронных счетчиков, выполненных на интегральных микросхемах, и коммутирущего yctpoйcтвa, подключающего аккумуляторную батарею 6 к потребителям энергии. Регистратор 7 состоит из преобразователя сопротивление - напряжение, преобразователя напряжение цифра, преобразователя параллельного кода в последовательный, усилите ля записи и магнитного регистратора Измеритель вертикальной скорости движения воды работает следующим об разом.. Герметичный контейнер с электрон ной аппаратурой и интегральный датчик устанавливают на выбранные глубинах естественного водоема. Блок 5 управления через заданные интервалы времени подключает аккумуляторную батарею 6 к электронным схемам комм татора и каналов и регистратора 7. Коммутатор каналов k последовательно подключает выходы датчиков к ре гистратору 7. На магнитной ленте за писывается последовательный двоичный код с временным разделением кан лов. 9 После опроса и регистрации инфорнации с датчиков 1,2 и 3 бдок 5 упг. равления вырабатывает сигнал конца цикла измерений и октлючает аккумуляторную батарею 6 от потребителей энергии. Очередной цикл измерений поступает по сигналу от блока 5 управления. Точечные датчики 1 и 2 не регистрируют изменение гидрологического параметра во времени, изменения гидрологического параметра можно определить только с помощью интегрального датчика, который находится во всем исследуемом слое жидкости (фиг. 1 и 2). По данным зарегистрированнйм измерителем вертикальной скорости движения врды, определяется ее значение по следующей математической зависимостиM|L--rw|iai,c2) расстояние по вертикали межгдед2 ду точечными датчиками 1 и 2 на измерительных горизонтах Zj и Z - -1 1 Т--J Tdl-непрерывно осредненное по 2 вертикали значение гидро.логического параметра Т. Предполагая постоянство вертикальной скорости W в слое между первым и вторым точечными датчиками, полу- ..QTIW.z таг)-те,) Из соотношения 3 следует, что для определения W уже не требуется .делать никаких противоестественных предположений о линейности профиля гидрологической характеристики. ..При переходе в формуле ( 3) к конечным разностям получаем чу. ДТ-& где AT - разность показаний интегрального датчика гидрологического параметра за время At достаточно малое, чтобы можно было принять Ix-TT-/ ох .7- осредненная за время текущая разность гидрологического параметра на вертикальной базе 6Z между первым и вторым точечными датчиками гидрологического параметра. , Использование измерителя позволяет существенно повысить точность измерения вертикальных скоростей движе ния воды в естественных водоемах и со фатить время эксперимента. Формула изобретения Измеритель вертикальной скорости движения воды в стратифицированных водоемаХа содержащий два разнесенных по вертикальной базе точечных датчика гидрологического параметра, блок управления, источник питания, коммутатор каналов и регистратор, при этом точечные датчики .гидрологического параметра через коммутатор каналов подсоединен к связанным между собой источнику питания, блоку уп рааления ирегистратору, отличающийся тем, что, с целью и быстповышения точности измерений Гг т, ГС родействия, в него дополнительно введен интеграль-ный датчик осредненных вдоль вертикальной -базы значений гидрологического параметра, размещенный на вертикальной базе между точечными датчиками гидрологического параметра, причем его выход подсоединен ,к одному из входов коммутатора каналов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Федоров К.Н. Тонкая термохалинная структура вод океана. Л., Гидрометеоиздат. 1976. 2.Дыкман 8.3; и др. Методика и аппаратура для исследования вертикальной микроструктуры океана.-В кн. , Результаты исследований северной части тропической зоны Атлантического океана по программе Декалант, МГИ АН УССР, Севастополь, 1975, с. 131-138 (прототип). Фыг.1