Измеритель вариаций солености морской воды
SEA WATER SALINITY VARIATION METER

Изобретение относится к гидрофизическим измерениям и может быть использовано для задач океанографии и контроля окружающей среды, в том числе для определения солености морской воды в натурных условиях.
В океанологических исследованиях важную роль играют измерения солености морской воды. Данные, получаемые при подобных измерениях, используются при построении моделей различных физических процессов, например, течений и обмена водными массами между различными морскими бассейнами, а также для расчетов физических полей и условий распространения гидроакустических сигналов. При этом существует ряд задач, связанных с получением данных по вариациям солености, причем особый интерес представляют измерения за длительный период - год и более. При измерении вариаций производится ряд последовательных измерений в одной и той же точке в течение необходимого времени. Измерение вариаций солености накладывает дополнительные требования как по точности, так и по временной стабильности на измерительную технику.
Для определения солености морской воды наиболее часто используют устройства, в основе которых лежит определение электропроводности воды, при этом поскольку электропроводность зависит также от давления и температуры, приходится одновременно измерять и эти параметры, причем точность их измерения также должна быть высокой. Неизбежное изменение параметров измерительных электродов в течение использования накладывает ограничение на достижимую при подобных измерениях точность. Для повышения достоверности измерений приходится в процессе проведением измерений периодически проводить калибровку датчиков.
Известен измерительный комплекс SBE 911plus компании Sea-Bird Electronics, Inc., США (http://www.technopolecom.ru/downloads/doc_138.pdf). Для осуществления измерений комплекс содержит измеритель температуры SBE 3plus, для измерения проводимости применяется кондуктометрическая ячейка SBE 4С и другие датчики и устройства. Наибольшие проблемы возникают при работе измерителя температуры и кондуктометрической ячейки. При погружении SBE 911plus в водную толщу возникают деформации в различных элементах термодатчика SBE 3plus и кондуктометрической ячейки SBE 4С. На малых глубинах деформации ничтожны и не вносят заметных искажений в показания датчиков. Однако, по мере увеличения глубины (давления), их вклад может возрастать. (Каплуненко Д.Д., Лазарюк А.Ю., Лобанов В.Б., Сагалаев С.Г. Коррекция данных глубоководных измерений СТД-зондами sea-bird в японском море// Подводные исследования и робототехника, 2015, №1 (19). С. 51-55).
Таким образом, видно, что описываемый комплекс имеет погрешности измерений, меняющиеся со временем и связанные с изменением геометрических параметров используемых датчиков под действием окружающей среды, для уменьшения которых необходимо проведение калибровочных работ.
Известны устройства определения солености морской воды, выполненные на базе синхронного измерения оптического показателя преломления и скорости распространения звука, используя для этого, например, интерференционные или, например, пьезоэлектрические измерения с последующем вычислением в вычислительном устройстве необходимого параметра, в том числе и солености, по известным закономерностям (а.с. СССР №717633А, п. РФ №74708U1, п. РФ 2047279, 2271617). К недостаткам устройств данного типа относится влияние погрешностей оптического измерителя и измерителя скорости распространения звука, возникающих под действием изменяющихся параметров окружающей среды, таких как температура и давление, кроме того, присутствие в морской воде различных взвесей, увеличивающих поглощение оптического излучения, привносит дополнительные эксплуатационные проблемы и также увеличивает погрешности.
Известен ультразвуковой измеритель солености в.з. Японии № JPS 63111457(A) (Ultrasonic salinometer), содержащий измеритель скорости распространения звуковой волны с помощью ультразвуковых датчиков, а также измерители температуры и давления и вычислительное устройство, вычисляющее соленость воды, базируясь на известной взаимосвязи измеренных параметров. Данный измеритель также подвержен погрешностям измерений, возникающих из-за погрешностей измерителей температуры и давления, а также изменения измерительной базы измерителя скорости распространения звуковой волны.
Известно устройство для измерения физических свойств жидкости, представленное в а.с. СССР №868434А. Устройство основано на синхронном измерении скорости распространения звука и оптического показателя преломления в едином объеме жидкости с последующим вычислением ряда параметров жидкости, в том числе и ее солености, и содержит электронный измеритель скорости распространения акустических импульсов, базирующийся на измерении времени распространения акустических импульсов, излучаемых обратимым электроакустическим преобразователем, который принимает потом эти же импульсы, отраженные от отражателя акустических колебаний. Скорость распространения определяется за счет измерения времени распространения акустических импульсов при известном расстоянии между электроакустическим преобразователем и отражателем акустических колебаний. Помимо этого, устройство содержит оптико-электронный измеритель показателя преломления на базе интерферометра Майкельсона. Данное устройство рассматривается нами как наиболее близкий аналог.
Устройство отличается сложностью изготовления и эксплуатации за счет использования в конструкции интерферометра Майкельсона, представляющего собой сложное устройство с источником когерентного излучения, требующего тщательного изготовления и периодической настройки. Помимо этого, оптические элементы устройства, контактирующие с водой, будут подвергаться постоянному загрязнению за счет содержащихся в воде взвесей и биологических объектов. Кроме того, изменение размеров устройства, в частности расстояния между электроакустическим излучателем и отражателем, под действием изменений параметров окружающей среды, например, температуры, ведет к возникновению погрешности измерений.
Таким образом, возникает необходимость в разработке устройства, конструкция которого исключает возникновение погрешности измерений, связанной с изменением параметров применяемых датчиков под действием изменчивости условий окружающей среды.
Поставленная проблема решается с помощью измерителя вариаций солености морской воды, содержащего размещенные на общем основании электронный блок, включающий микроконтроллер, генератор электрических импульсов, усилители мощности и блок питания, и две цилиндрические полости одинаковой длины, в торцевых поверхностях которых напротив друг друга расположены излучатель и приемник акустических импульсов, соединенные с электронным блоком, при этом одна из полостей изолирована от окружающей среды, снабжена эластичной мембраной, разделяющей окружающую среду и внутреннюю полость, и одна из ее торцевых поверхностей выполнена в виде съемной крышки, а другая полость выполнена с отверстиями, соединяющими внутренний объем полости с окружающей средой.
Измеритель может быть выполнен в автономном варианте в случае выполнения блока питания на аккумуляторах, и/или оборудован герморазъемом для подключения внешнего питания по кабелю.
На Фиг приведена одна из возможных схем предлагаемого измерителя вариаций солености, где цифрами обозначены: 1 - общее основание; 2 - полость с отверстиями; 3 - полость с эластичной мембраной; 4 - отверстия; 5 - эластичная мембрана; 6, 7 - излучатели акустического импульса; 8, 9 - приемники акустического импульса; 10 - электронный блок; 11 - соединительный кабель. 12 - крышка полости 3; 13 - крышка полости 2.
Работает устройство следующим образом. Перед началом работы полость (3) с эластичной мембраной (5) через крышку (12) заполняется дистиллированной водой и закрывается. Отметим, что для удобства сборки и обслуживания, а также с целью сокращения номенклатуры примененных деталей все торцевые поверхности полостей могут быть выполнены съемными в виде крышек, уплотняемых, например, резиновыми кольцами. Готовый к работе измеритель помещается под воду, где через отверстия (4) происходит заполнение водой полости (2). Измерение вариаций солености основывается на сравнении измерений скоростей распространения звука в полости с дистиллированной водой (3) и в полости, заполненной морской водой (2), поступившей из окружающей среды. Для измерения скорости звука осуществляется одновременное излучение акустических импульсов с длительностью много меньшей среднего времени распространения звука на длине полости излучателями (6) и (7), которые соединены посредством кабелей (11) с электронным блоком (10), снабженным микроконтроллером, генератором электрических импульсов заданной длительности и усилителями мощности (на фиг. не показаны), осуществляющих генерацию электрических импульсов, необходимых для работы излучателей, преобразующих электрические импульсы в акустические. Излученные акустические импульсы принимаются приемниками (8) и (9) акустических импульсов, соединенными с электронным блоком (10), в микроконтроллере которого осуществляется измерение времен распространения акустических импульсов в полостях (3) и (2), и далее, поскольку соленость дистиллированной воды равна нулю, а соленость морской воды отлична от нуля, по разности времен распространения акустических импульсов вычисляется разница скоростей их распространения, по величине которой судят о степени солености воды в полости (2). Регистрируя изменчивость разности времен распространения, определяют изменчивость солености в месте установки устройства используя для этого, например, программу расчета по формуле В. Дель Гроссо (Бабий В.И. Мелкомасштабная структура поля скорости звука в океане. Гидрометеоиздат. Ленинград. 1983. с. 10). Следует отметить, что вода в обеих полостях имеет одинаковую температуру в силу теплообмена с окружающей средой через стенки полости и, кроме того, за счет наличия эластичной мембраны давление жидкости в обеих полостях также одинаковы.
Таким образом, заявляемое устройство оказывается инвариантным к изменениям температуры и давления окружающей среды, а время распространения звука в полостях зависит только от солености морской воды заполняющей полости 2. Получаемые в электронном блоке данные по разности времен распространения акустических импульсов в полости (2) и полости (3) могут записываться на встроенный в электронный блок (10) накопитель информации, и/или передаваться потребителю по кабелю (не показан). При этом электронный блок (10) может получать необходимую для работы энергию как от аккумуляторной батареи, размещенной непосредственно внутри электронного блока (10), так и по кабелю (не показан), для чего электронный блок снабжают герморазъемом.
При изготовлении измерителя, для выполнения полостей и основания могут быть использованы выпускаемые промышленностью коррозионно-стойкие стали, например, 18ХН10Т. Излучатели и приемники акустических импульсов могут быть выполнены на базе пьезокерамических материалов, например типа ЦТС-19. Электронный блок, обеспечивающий работу акустических излучателей, измерительные процедуры, хранение и/или передачу полученной информации по кабелю, может быть выполнен на базе микроконтроллера, например Atmega 16, и стандартных, выпускаемых промышленностью радиоэлементах.