Способ измерения вертикального профиля плотности морской воды и устройство для его осуществления
METHOD OF MEASURING VERTICAL PROFILE OF SEA WATER DENSITY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области экспериментальной океанографии, предназначено для непосредственного измерения вертикальных профилей плотности, температуры и скорости течения в море и может быть использовано в промышленности и на транспорте для определения тех же параметров в жидких средах, а также для контроля загрязнений морской воды.
Измерение вертикальных профилей плотности морской воды является одной из главных задач экспериментальной океанографии, поскольку поле плотности в море лежит в основе гидродинамических расчетов течений.
В настоящее время вертикальный профиль плотности морской воды определяют косвенно по результатам совместного измерения профилей электропроводимости или коэффициента преломления света, температуры и гидростатического давления CTD-зондами в точках по вертикальной траектории зондирования.
Требования к точности измерения этих величин находятся на уровне метрологических характеристик рабочих эталонов и не удовлетворяют требованиям по точности определения плотности для нового гидротермодинамического уравнения состояния морской воды TEOS-10 [IOC, SCoR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of SeaWater-2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmentol Oceanographic IOC, SCoR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of SeaWater-2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmentol Oceanographic Comission, Manuals and Guides No. 56 UNESCO (English), 196 pp.]. Необходимы прямые измерения плотности непосредственно в море. Это могут выполнять оптические зонды по измерению коэффициента преломления света в воде.
К недостатку косвенных измерений плотности с помощью зондов относится сложность эксплуатации и ограниченность применения из-за необходимости наличия лебедки с тросом, или грузонесущим кабелем и токосъемником, что делает использование этого способа практически невозможным на прибрежных сооружениях, маломерных платформах и плавсредствах.
В основу изобретения поставлена задача создания связанных единым изобретательским замыслом метода и средства для получения вертикального профиля плотности морской воды, совокупностью существенных признаков каждого из которых обеспечивается достижение нового технического свойства - получение качественно новой информации о профиле плотности, усредненном уровне моря, уровне морской поверхности для определения параметров волнения, профиле температуры, профиле модуля скорости течения. Этих параметров достаточно для вычисления всех других океанографических характеристик вод. При этом измерения осуществляются прямым методом, без использования перемещаемых зондов. Единым техническим результатом заявленных объектов является простота и надежность их эксплуатации и широкая область применения.
Аналогов заявленных изобретений заявителем в уровне техники не обнаружено.
1
2
1
2
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что, согласно заявленному способу измерения вертикального профиля плотности морской воды, в море погружают трубку, у которой нижнее отверстие открыто, а верхнее присоединено к компрессору воздуха, которым осуществляют управляемое нагнетание-стравливание воздуха в трубке в заданном диапазоне давления, фиксируют относительно вертикали положения уровней z и z воды в трубке, измеряют разносное давление внутри трубки и атмосферного на уровнях z и z, соответственно P(z) и P(z) при ускорении свободного падения g, и рассчитывают среднюю плотность  слоя воды между уровнями z и z по выражению
Поставленная задача решается также тем, что, согласно заявленному устройству для измерения вертикального профиля плотности морской воды, оно содержит погруженную вертикально в море трубку, у которой нижнее отверстие открыто, а верхнее присоединено к управляемому компрессору воздуха и датчику разности давлений воздуха внутри трубки и атмосферного, выход которого подключен к одному из входов блока электроники, к двум другим входам которого подключены, соответственно, первый распределенный термопрофилемер, уложенный вдоль трубки внутри ее, и второй распределенный термопрофилмер, уложенный вдоль трубки снаружи ее, выход блока электроники подключен к процессору, выход управления которого соединен с входом управляемого компрессора воздуха.
При этом трубка преимущественно выполнена жесткой.
Сущность изобретения поясняется на конкретном примере его осуществления и с помощью иллюстраций, на которых изображено: фиг. 1 - схема выполнения предлагаемого способа; фиг. 2 - структурная схема устройства для осуществления способа; фиг. 3 - примеры установки измерителя вертикального профиля плотности морской воды на различных платформах и носителях.
Предлагаемый способ измерения вертикального профиля плотности морской воды основывается на возможности компоновки и использования известных технических средств с выполнением новых операций.
К таким техническим средствам относятся пузырьковые измерители уровня моря [Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 448 с] и измерители положения границ раздела сред на основе распределенных термопрофилемеров [Патент Украины №67847. Спосiб визначення положения меж розподiлу середовищ. Гайський В.О., Гайський П.В. - Опубл. 15.07.2004. Бюл. №7].
На схеме выполнения способа (фиг. 1) трубка 1 опущена в море 2 вертикально вниз открытым отверстием 3 и соединена верхним отверстием 4 с датчиком 5 ДРД разности давления воздуха в трубке и атмосферного и с управляемым компрессором 6 К воздуха.
0
1
1
1
0
Допустим, вертикальная ось z направлена вниз и совпадает с осью трубки. Если давление в трубке станет равным атмосферному, то трубка заполнится водой до уровня z (уровень моря плюс (минус) разница высоты столба, связанная с разницей плотности закачиваемой из нижнего отверстия воды и вертикального профиля плотности внешней среды). Если с помощью управляемого компрессора поднять давление воздуха в трубке до P(z), то уровень воды в трубке опустится до отметки z. При этом средняя плотность воды  во внешнем слое z-z будет соответствовать
i+1
i
Для средней плотности (i+1,i)-го слоя z-z воды можем записать
1
i+1
i
При нагнетании компрессором воздуха в трубку отметка z будет опускаться непрерывно изменениям толщины слоя h=(z-z) и расти давление Р(h).
Для плотности можем записать
Операция изменения уровня воды в трубке эквивалентна зондированию на глубину h.
Один цикл продувки трубки воздухом до выделения пузырьков из нижнего открытого отверстия эквивалентен зондированию по глубине на длину трубки с определением вертикального профиля плотности.
Давление на трубку извне в рабочем состоянии уравновешивается давлением изнутри, поэтому трубка может быть мягкой. Однако при нештатных ситуациях из-за отключения компрессора такого уравновешивания не будет, поэтому целесообразно изготавливать трубку жесткой, выдерживающей внешнее давление разное по глубине.
В выражениях (2-4) для расчета переменная z является расстоянием по вертикали и считается по длине трубки, если последняя устанавливается строго по вертикали. Если трубка отклоняется от вертикали, например, при укладке вдоль наклонной поверхности при свободной подвеске с грузом на нижнем конце, то для расчета должна браться переменная z как проекция участков длины трубки на вертикаль. Для получения проекций длины трубки на вертикаль могут использоваться инклинометры или при колебаниях трубки на подвеске производится стробирование измерений в моменты прохождения вертикали.
Компрессор 6 K должен обеспечивать управляемое нагнетание-стравливание воздуха в диапазоне давления до глубины погружения нижнего конца трубки. Кроме необходимой точности других требований к датчику разностного давления ДРД 5 не предъявляется.
0
/
Определение подвижных границ раздела вода-воздух внутри и вне трубки возможно различными способами и средствами. В предлагаемом способе для этих целей используются распределенные термопрофилемеры, которых необходимо два для жестких трубок и может оказаться достаточно одного для мягкой трубки, конструктивно входящей в состав кабеля распределенного термопрофилемера. Достоинством распределенного термопрофилемера с внутренним управляемым подогревом является возможность дополнительно, кроме измерения границы раздела вода-воздух, измерять профиль температуры и профиль модуля скорости течения. Уровень морской поверхности z, измеряемый внешним термопрофилемером является исходным для расчета параметров волнения.
i+1
i
Распределенные термопрофилемеры должны обеспечивать необходимую точность определения положения границ раздела вода-воздух z и z, которая зависит от требуемой точности измерения плотности в заданном диапазоне глубин.
0
1
0
i
i
Поскольку уровень моря z, измеряемый внутренним термопрофилемером, из-за волнения может быть существенно переменной величиной, амплитуда которой быстро затухает с глубиной и в той меньшей степени проявляется в положении уровня z внутри трубки, чем глубже нижний конец трубки. Возможно осреднение во времени показаний z, z, P(z). При этом случайные погрешности измерений могут быть сделаны сколь угодно малыми, а систематические погрешности вычитаются до нуля по формуле (1). Это обеспечивает высокую точность измерения, что является другим техническим результатом, который проявляется в условиях волнения.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает прямое измерение вертикального профиля плотности воды через измерение гидростатического давления и толщины слоев воды вертикальным зондированием по слоям путем контролируемого перемещения уровня воды в вертикальной трубке.
Измеритель вертикального профиля плотности морской воды (фиг. 2) содержит вертикальную трубку 1 с открытым нижним отверстием 3 и доступным верхним отверстием 4, датчик разностного давления внутри трубки и атмосферы 5 ДРД, управляемый компрессор воздуха 6 K, первый распределенный термопрофилемер 7, размещенный внутри вдоль трубки, второй распределенный термопрофилемер 8, размещенный вне вдоль трубки, блок электроники 9 БЭ и процессор 10 П. Блок электроники 9 служит для преобразования в цифру сигналов с выходов датчика давления и термопрофилемеров и для обеспечения электропитания компрессора. Процессор 10 служит для первичной обработки измерений, вычисления плотности и управления компрессором. К верхнему отверстию 4 трубки подключены компрессор 6 и датчик давления 5. Вход управления компрессора 6, выход датчика давления 5, входы-выходы термопрофилемеров 7 и 8 поданы на блок электроники 9, выход которого подан на процессор 10.
Устройство работает следующим образом.
0
1
1
1
x
0
1
i+1
i
При вертикальном погружении трубки 1 в воду и отсутствии давления в трубке вода заполняет трубку до уровня поверхности z, который фиксируется термопрофилемером 8. При нагнетании воздуха в трубку 1 компрессором 6 воздух вытесняет воду из трубки так, что некоторому давлению P(z), фиксируемому датчиком давления 5, будет соответствовать уровень воды z в трубке, фиксируемый термопрофилемером 7, причем P(z) соответствует гидростатическому давлению воды на глубине z. Средняя плотность воды в слое от z до z вычисляется (2). Изменяя давление воздуха в трубке с помощью компрессора, перемещают уровень воды в трубке и определяют среднюю плотность воды в слое между двумя уровнями z и z.
Поскольку распределенный термопрофилемер 8 с динамическим подогревом дает, кроме профиля температуры вне трубки, еще и профиль коэффициента теплообмена распределенного датчика с водой, то он работает как распределенный термоанемометр и измеряет профиль модуля скорости течения.
Заявленное устройство для измерения профиля плотности морской воды имеет широкий круг применения и может быть установлено: на стационарных платформах, например, нефтегазодобывающих (фиг. 3а), специальных мачтах (фиг. 3б), на судах для использования в дрейфе (фиг. 3в) или на ходу (фиг. 3г), на плавучих платформах (фиг. 3д).
Особенно целесообразно использование устройства для контроля загрязнений морской воды углеводородами, поскольку последние существенно изменяют плотность.
-4
Проведенные заявителем, Морским гидрофизическим институтом, экспериментальные исследования возможностей определения положения границ раздела датчиками - распределенными термопрофилемерами с подогревом - свидетельствуют о возможности достижения точности на уровне 10. Такие датчики и нетривиальные способы их градуировки были впервые изобретены заявителем (см., например, [Патент Украины №14173, по Авторскому свидетельству СССР №808872. Устройство для измерения температуры. Гайский В.А. - Опубл. 25.04.1997. Бюл. №2], [Патент Российской Федерации №2049313. Способ градуировки распределенного датчика температуры с переменным погонным коэффициентом чувствительности. Гайский В.А. - Опубл. 27.11.1995. Бюл. №33]).