СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ, ДАВЛЕНИЯ И ПЛОТНОСТИ В ЖИДКОСТИ
METHOD FOR MEASURING TEMPERATURE, PRESSURE AND DENSITY SECTION IN LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для использования в океанологии и может использоваться в других областях. Одной из основных целей экспедиционных океанологических исследований является получение вертикальных профилей температуры и плотности в координатах температура-глубина и плотность-глубина, необходимых для использования в современных термодинамических моделях [Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 725 с.].
Плотность морской воды в современных массовых измерениях непосредственно в среде не измеряется, а вычисляется по уравнению состояния из совокупных измерений электропроводности, температуры и давления или скорости звука, температуры и давления. Уравнение состояния для океанических вод связывает эти величины с погрешностью тысячных долей процента (последнее уточнение TEOS-10) [IOC, SCOR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of seawater - 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmental Oceanog0raphic Commission, Manuals and Guides No. 56, UNESCO (English), 196 pp. (Available from http:www.TEOS-10.org)]. Однако для прибрежных вод и морей оно имеет поправки, которые периодически уточняются, и будут уточняться впредь. Желательно исключить использование уравнения состояния морской воды из способа определения профиля плотности.
Способ получения CTD (электропроводность, температура, давление) профилей зондированием с борта судна на океанологических станциях содержит также методическую погрешность временной изменчивости (до нескольких процентов за несколько часов выполнения зондирования), которая в принятой технологии измерений игнорируется.
Способ измерения дискретных мгновенных профилей гидрофизических величин с помощью гирлянд точечных измерителей, расположенных на нескольких горизонтах на подвесках буйковых станций содержит существенную погрешность дискретизации, поскольку измерителей на горизонтах много не бывает.
Известны измерители мгновенного профиля температуры, термопрофилемеры [А.С. 808872 СССР, G01K 7/00. Устройство для измерения температуры. В.А. Гайский. Опубл. 28.02.1981. Бюл. №8], с использованием распределенных датчиков температуры, погонные термочувствительности которых модулированы по функциям из ортогонального базиса. Поскольку термодатчики имеют чувствительность к давлению, то требуется защита их от давления для исключения погрешности от тензоэффекта. Это приводит к повышению тепловой инерции и возрастанию динамической погрешности.
Известны измерители профиля упругих деформаций с использованием распределенных тензометров с модуляцией погонной тензочувствительности также по функциям из ортогонального базиса [А.С. 937998 СССР, G01B 7/18. Устройство для измерения упругих деформаций конструкций. В.А. Гайский, А.Т. Гопко, А.К. Ерохин, И.Ю. Немеш. Опубл. 26.06.1982. Бюл. №23]. Однако такие распределенные тензометры имеют чувствительность к температуре и необходимо исключение погрешности от влияния температуры.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение одновременного измерения мгновенных профилей температуры, давления и плотности с повышением точности за счет исключения погрешности измерения температуры от тензоэффекта и снижения динамической погрешности за счет уменьшения показателя тепловой инерции и исключения погрешности от влияния температуры при измерении давления.
Прототипа предлагаемого способа не найдено.
j
Эта цель достигается тем, что используют три распределенных профилемера из проводников с разными коэффициентами температурной  и тензо  чувствительности и с погонными функциями чувствительности к температуре и давлению каждого из n проводников, которые промодулированы по функциям из ортогонального базиса {ϕ(z)}, , помещают их в общую мягкую оболочку и устанавливают в среде вдоль траектории измеряемых профилей θ(z) и P(z), измеряют интегральные сопротивления проводников  и определяют профиль температуры по формуле
,
профиль давления по формуле ,
Профиль плотности по формуле
,
a
j
j
j
j
j
j
где z - пространственная координата по профилю (в частности, глубина);  - коэффициент разложения профиля температуры θ(z) по базису ортогональных функций {ϕ(z)}, ; b - коэффициент разложения профиля давления P(z) по базису ортогональных функций {ϕ(z)}, , причем коэффициенты a и b определяются из решения n систем уравнений  вида
i
j
i
j
i
i
j
a
α+βb+αβc=R(i, j),
где  для j=0;  для ;
i0
ij
j
im
im
im
im
R - интегральное измеренное сопротивление 0-го проводника (немодулированного) i-го профилемера; R - интегральное измеренное сопротивление j-го проводника, модулированного функций ϕ(z) с амплитудой r на фоне постоянной составляющей r; R - эквивалентное сопротивление проводника i-го профилемера с постоянным погонным сопротивлением r при начальных условиях; dP(z)/dz - производная по профилю давления в точке z; g(ϕ, z) - ускорение свободного падения в зависимости от географической широты места ϕ и глубины точки z на профиле.
Рассмотрим обоснование предлагаемого способа. Считаем, что для резисторного датчика с известными коэффициентами температурной θ чувствительности по сопротивлению α и сжимаемости β по давлению Р справедливо уравнение для сопротивления
00
где R - известное начальное сопротивление датчика при начальной (нулевой 0°C) температуре и атмосферном (нулевом P=0) давлении.
j
j
Распределенный вдоль z датчик будет воспринимать профили θ(z) и P(z) в зависимости от модуляции погонной чувствительности к θ и Р. Для восстановления θ(z) и P(z) удобно воспользоваться разложением профилей θ(z), P(z) и θ(z) P(z) по функциям ϕ(z) из ортогонального базиса {ϕ(z)},
a
j
j
j
00
j
Для определения каждого из коэффициентов , b и c используется отдельный проводной датчик с погонной чувствительностью, промодулированной по R по функции ϕ(z).
0
0
0
0
а
Функция ϕ(z)=1, т.е. распределенный проводной датчик для определения , b и с не имеет модуляции и имеет погонное сопротивление
Тогда для сопротивлений запишем
и 0-го проводника
где L - длина проводника.
Развернем выражение (8)
Рассмотрим слагаемые выражения (9)
Из выражения (9), подставляя (10-13), получим
а
0
0
0
i
i
Для определения неизвестных , b и c необходимо три распределенных проводниках с разными α, β.
Для трех распределенных проводников получим три уравнения вида (14), которые представим как систему линейных алгебраических уравнений с тремя неизвестными
Определитель системы имеет вид
a
0
0
0
И система имеет решение относительно неизвестных  и b, неизвестное c находить нет необходимости.
i0
j
При модуляции R по функциям ϕ(z) для , являющимися знакопеременными, примем
и получим
Раскроем выражение (18)
Рассмотрим слагаемые выражения (19)
;
;
;
;
;
;
.
Перепишем выражение (19)
Учитывая (15),
получим из (21)
ij
j
i0
j
im
im
im
где R - измеренное сопротивление j-го проводника i-го профилемера, промодулированного по функции ϕ(z); R - измеренное сопротивление 0-го проводника i-го профилемера, промодулированного по функции ϕ(z)=r; R - сопротивление проводника со средним уровнем модуляции r j-х проводников .
a
j
j
Далее неизвестные  и b определяются из решения системы из трех уравнений (23) при . Поскольку , т.е. 2⋅(n-1) неизвестных определяются из (n-1) систем уравнений вида (23), определитель (16) всех систем один и тот же.
a
j
j
j
i
i
Таким образом, все коэффициенты разложения  и b, , θ(z) и P(z) по ортогональным функциям {ϕ(z)} определены и можно использовать формулы (2) и (3). При использовании способа предполагается, что коэффициенты α и β известны из справочных данных для конкретных материалов проводников. Однако эти значения могут быть неточными, поэтому целесообразно их определить при градуировке. Для этого каждый распределенный профилемер надо поместить в три различных состояния известных температуры и давления, для формирования системы уравнений вида, например,
,
,
i01
i02
i03
где R, R, R - сопротивление проводника 0-ой орты при разных  и .
Решение трех систем из трех уравнений, каждая вида (24), с общим определителем
1
2
3
1
2
3
дает значения α, α, α и β, β, β.
Для определения профиля плотности ρ(z) воспользуемся уравнением гидростатики [Забурдаев В.И., Гайский В.А. Практические формулы взаимосвязи давления и глубины в Черном море. Морской гидрофизический журнал. 2002. №6. С. 16-17; Динамика океана. Под редакцией Ю.П. Доронина. Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 304 с.].
где g(ϕ, z) - ускорение свободного падения, зависящее от географической широты места ϕ и глубины z
Таким образом, имеем одновременно все три мгновенных профиля: температуры θ(z), давления P(z) и плотности ρ(z).