СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ВОДЫ С ПОДВОДНОГО НОСИТЕЛЯ

Полезная модель относится к области измерения гидрофизических параметров морской воды и может быть использована при исследовании океана в интересах судоходства, при проведении экологических исследований.
Установка системы на подводном носителе позволяет кроме измерений гидрофизических параметров вдоль траектории движения на определенной глубине проводить снятие вертикального распределения параметров морской воды по глубине (вертикальных разрезов) при погружении и всплытии подводного носителя. Знание вертикального распределения параметров морской воды имеет большое прикладное значение при разведке полезных ископаемых на морском шельфе, при проведении измерений в местах строительства платформ по добыче нефти в морских акваториях, а также для повышения качественных характеристик систем военно-морского флота.
Параметры морской воды принято разделять на две группы. К первой группе относят первичные параметры, которые измеряют специальными приборами - преобразователями гидрофизических параметров морской воды. К ним относят преобразователи температуры, удельной электрической проводимости и гидростатического давления. Ко второй группе относят вторичные параметры морской воды, важнейшими из которых являются соленость, плотность, скорость распространения звука в морской воде. Вторичные параметры измеряются косвенным методом, путем расчета по значениям измеренных первичных параметров. Зависимости, связывающие вторичные параметры с первичными, разработаны и приняты международными океанографическими организациями [1]:
1) Соленость морской воды может быть вычислена через измеренные первичные параметры по шкале практической солености (ШПС-78) [1, 2] по следующей формуле:
T
R - относительная электропроводность воды с соленостью S [‰], температурой T [°C] при атмосферном давлении по отношению к раствору нормальной морской воды при той же температуре.
T
где r - зависимость относительной электропроводности растворов нормальной воды от температуры
где χ - удельная электрическая проводимость, мСм/см;
T - температура, °C;
P
R - определяет влияние гидростатического давления на относительную электропроводность
R - относительная электропроводность воды с соленостью S [‰], температурой T [°C] при давлении p [МПа] по отношению к стандартному раствору KCl при 15°C или эквивалентного ему раствору нормальной морской воды.
, χ(35,15,0)=42,911 мСм/см.
2) Плотность морской воды может быть вычислена через измеренные значения температуры, давления и вычисленное значение солености [1, 2] по международному уравнению состояния морской воды УС-80.
3
Плотность ρ, (кг/м), морской воды в функции практической солености S, температуры T и гидростатического давления p определяют по формуле
где K(S, T, p) - средний модуль упругости морской воды;
3
ρ(S, T, 0) - плотность морской воды при атмосферном давлении (р=0), кг/м;
p - гидростатическое давление, МПа.
Плотность морской воды при атмосферном давлении (p=0) определяют по соотношению
0
1
2
3
4
0
1
2
0
-1
-3
-5
-7
-9
-3
-4
-6
-4
где b=8,24493·10; b=-4,0899·10; b=7,6438·10; b=-8,2467·10; b=5,3875·10; c=-5,72466·10; c=1,0227·10; c=-1,6546·10; d=4,8314·10.
ω
Плотность эталонной чистой среднеокеанической воды ρ определяют по формуле
a
a
a
a
a
a
0
1
2
3
4
5
-2
-3
-4
-6
-9
где =999,842594; =6,793952·10; =-9,095290·10; =1,001685·10; =-1,120083·10; =6,536332·10.
Средний модуль упругости морской воды определяют по формуле
где
0
1
2
3
-2
-3
-6
f=5,46746; f=-6,03459·10; f=1,09987·10; f=-6,1670·10;
0
1
2
-3
-3
-5
g=7,944·10; g=1,6483·10; g=-5,3009·10;
0
1
2
0
-3
-5
-6
-4
i=2,2838·10; i=-1,0981·10; i=-1,6078·10; j=1,91075·10;
0
1
2
-6
-7
-9
m=-9,9348·10; m=2,0816·10; m=9,1697·10;
0
1
2
3
4
-1
-3
-6
e=1965,221; e=14,84206; e=-2,327105·10; e=1,360477·10; e=-5,155288·10;
0
1
2
3
-3
-4
-7
h=3,239908; h=1,43713·10; h=1,16092·10; h=-5,77905·10;
0
1
2
-4
-5
-7
k=8,50935·10; k=-6,12239·10; k=5,2787·10.
3) Скорость распространения звука в морской среде может быть вычислена через суммарные значения температуры, гидростатического давления и вычисленного значения солености (ГСССД 202-02) [3]
где C - скорость звука, м/с;
T - температура, °C;
S - соленость, ‰;
p - гидростатическое давление, МПа.
Значения всех измеряемых гидрофизических параметров изменяются с глубиной. В связи с этим возникает необходимость измерять глубину погружения преобразователями гидрофизических параметров. Глубина погружения зависит от гидростатического давления и широты местоположения системы измерения [1]:
где H - глубина в метрах;
p - гидростатическое давление, МПа;
φ - географическая широта в угловых градусах.
Известны способы измерения скорости распространения звука и плотности морской воды на больших глубинах с подводного носителя [4], [5]. Этими способами измеряют соленость морской воды, температуру и гидростатическое давление. При этом значения скорости распространения звука и плотности определяют расчетным путем. Измерение солености морской воды производят на глубине, превышающей глубину галоклина, при помощи средств измерений, расположенных на подводном носителе. Температуру морской воды и давление измеряют с помощью обрывного зонда, причем при расчете значения скорости распространения звука в морской воде [4] и расчете плотности [5] значение солености принимают равным значению, измеренному с помощью средств измерений, расположенных на подводном носителе.
Данные способы показывают пути измерения скорости распространения звука и плотности морской воды на больших глубинах с помощью обрывных зондов. Учитывая сложность измерения солености в ограниченном объеме зонда, соленость считают постоянной в процессе погружения обрывного зонда и равной солености, измеренной перед пуском зонда с помощью преобразователей удельной электрической проводимости, температуры и гидростатического давления, размещенных на подводном носителе, с которого производится пуск обрывного зонда. Это снижает точность измерений, выполненных зондами. Для обеспечения приемлемой точности, перед пуском зонда приходится проводить сложную операцию калибровки. Эти вынужденные операции оправданы при проведении измерений на глубинах, недоступных для технических средств, кроме обрывных зондов.
Системы для измерения гидрофизических параметров морской воды на глубинах, допустимых для погружения подводных носителей (где не требуется использование обрывных зондов), должны обеспечивать значительно более высокую точность измерений без проведения операции калибровки перед выполнением измерений.
Кроме того, в таких системах должна быть обеспечена жесткая привязка измеряемых параметров к глубине, для чего необходимо ее высокоточное измерение.
Известна система для измерения гидрофизических параметров морской воды, наиболее близкая по назначению и аппаратному составу к предлагаемой полезной модели [6], принимаемая в качестве прототипа.
Система содержит, по меньшей мере, один преобразователь гидрофизических параметров морской воды, содержащий бесконтактный преобразователь удельной электрической проводимости морской воды, преобразователь температуры, преобразователь давления и аналого-цифровой преобразователь. Аналого-цифровой преобразователь выполнен с контроллером последовательного интерфейса на выходе. Преобразователь гидрофизических параметров морской воды связан с устройством сбора и хранения данных (УСХД) с клавиатурой, подключенной к входу-выходу УСХД для подключения клавиатуры, и устройством отображения информации (УОИ), подключенным к выходу УСХД для подключения УОИ. В известной системе бесконтактный преобразователь удельной электрической проводимости морской воды содержит питающий и измерительный трансформаторы, размещенные в диэлектрическом корпусе, источник переменного напряжения, подключенный к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике питающего трансформатора, последовательно соединенные усилитель, вход которого подключен к обмотке, расположенной на тороидальном сердечнике измерительного трансформатора, и детектор, выход которого является выходом бесконтактного преобразователя удельной электрической проводимости морской воды, Первичный измерительный преобразователь (ПИП) преобразователя температуры выполнен из тонкой изолированной медной проволоки, расположенной между двумя полыми тонкостенными цилиндрами, один из которых образован выступом в корпусе ПИП преобразователя температуры, а другой герметично скреплен, преимущественно сварен лазерной сваркой, с первым полым тонкостенным цилиндром и корпусом ПИП преобразователя температуры, в котором выполнены наклонные отверстия для протекания морской воды внутри первого полого тонкостенного цилиндра. Диэлектрический корпус с размещенными в нем питающим и измерительным трансформаторами бесконтактного преобразователя удельной электрической проводимости морской воды установлен в передней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрофизических параметров морской воды, выполненного из материала, стойкого к воздействию агрессивной среды, соосно корпусу преобразователя гидрофизических параметров морской воды, и имеет сужающуюся вперед конусообразную наружную поверхность и отверстие для протекания морской воды, плавно сопряженное в своей конфузорной части с конусообразной наружной поверхностью диэлектрического корпуса и сообщающееся в своей диффузорной части с наружной поверхностью диэлектрического корпуса посредством наклонных отверстий, выполненных в диэлектрическом корпусе, ПИП преобразователя температуры расположен в диффузорной части отверстия для протекания морской воды, выполненного в диэлектрическом корпусе, соосно этому отверстию, ПИП преобразователя давления, выполненный в виде тензометрического мостового преобразователя давления, расположен в крышке, установленной в задней части герметичного цилиндрического корпуса преобразователя гидрофизических параметров морской воды, Выходы бесконтактного преобразователя удельной электрической проводимости морской воды, преобразователя температуры и преобразователя давления подключены к входам аналого-цифрового преобразователя, вход-выход контроллера последовательного интерфейса соединен с соответствующим входом-выходом УСХД.
Такая известная система для измерения гидрофизических параметров морской воды обеспечивает непрерывные измерения удельной электрической проводимости, температуры и гидростатического давления. Соленость, плотность, скорость распространения звука и глубина в известной системе вычисляются по измеренным значениям удельной электрической проводимости, температуры и гидростатического давления по формулам (1)-(16).
В известной системе-прототипе не предусмотрен автоматический ввод от навигационного комплекса носителя географической широты местонахождения, необходимой для вычисления глубины по формуле (16). Ввод в систему конкретного значения географической широты возможен только с клавиатуры оператором по докладу штурмана.
В тех случаях, когда измерения гидрофизических параметров морской воды производятся на различных глубинах (например, с подводного носителя), необходимо одновременно с измерением этих параметров выполнять измерение глубины, на которой производятся измерения, то есть обеспечивать привязку измеренных значений к глубине, иначе эти измерения не представляют практического интереса.
Отсутствие в известной системе автоматического поступления значений географической широты от навигационного комплекса носителя приводит к необходимости обслуживания системы оператором, что в ряде случаев при установке системы на подводном носителе не представляется возможным, и, как следствие, приводит к снижению точности измерения параметров морской воды (снижается точность привязки измеренных параметров к глубине).
Таким образом, недостатком известной системы-прототипа является низкая точность измерения глубины, на которой производятся измерения гидрофизических параметров морской воды, обусловленная невозможностью автоматического ввода значений географической широты местонахождения от навигационного комплекса подводного носителя.
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, состоит в повышении точности измерения глубины погружения, на которой производятся измерения гидрофизических параметров морской воды, путем автоматического ввода значений географической широты местонахождения от навигационного комплекса подводного носителя.
Для достижения указанного технического результата, система для измерения гидрофизических параметров морской воды содержит преобразователь удельной электрической, проводимости морской воды, преобразователь температуры, преобразователь гидростатического давления, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер с последовательным интерфейсом на выходе, а также устройство ввода, обработки и отображения информации, подключенное первым входом-выходом к микроконтроллеру по последовательному интерфейсу, и вторым входом-выходом по последовательному интерфейсу к навигационному комплексу подводного носителя, при этом по первому входу-выходу в устройство ввода, обработки и отображения информации поступают данные о гидрофизических параметрах морской воды с выхода микроконтроллера, а по второму входу-выходу поступают данные о географической широте места.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема предлагаемой системы для измерения гидрофизических параметров морской воды с подводного носителя.
На чертеже обозначены:
1 - преобразователь гидрофизических параметров морской воды;
2 - преобразователь удельной электрической проводимости (УЭП) морской воды;
3 - преобразователь температуры;
4 - преобразователь гидростатического давления;
5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
6 - микроконтроллер;
7 - устройство ввода, обработки и отображения информации (УВООИ).
Преобразователи 1 гидрофизических параметров морской воды и входящие в него преобразователи УЭП 2, температуры 3 и гидростатического давления 4, а также АЦП 5 выполнены, например, аналогично прототипу [6].
В качестве микроконтроллера 6 могут использоваться, например, серийно выпускаемые промышленностью контроллеры AVR7, AVR9, фирмы Atmel, которые содержат вычислитель, долговременную и оперативную память для обеспечения необходимых вычислений и хранения информации, последовательные интерфейсы для связи с АЦП и УВООИ.
В качестве УВООИ может быть использована серийно выпускаемая промышленностью ЭВМ с двумя последовательными интерфейсами.
В предлагаемой системе выходы преобразователя УЭП 2, преобразователя температуры 3 и преобразователя давления 4 подключены к входам АЦП 5.
Вход-выход контроллера последовательного интерфейса АЦП 5 соединен с входом-выходом микроконтроллера 6. Вход-выход микроконтроллера 6 по последовательному каналу связан с первым входом-выходом УВООИ 7. Второй вход-выход УВООИ 7 по последовательному каналу связан с навигационным комплексом подводного носителя и является входом значения географической широты местоположения подводного носителя.
Работа системы для измерения гидрофизических параметров морской воды с подводного носителя происходит в следующей последовательности.
Преобразователи УЭП 2, температуры 3 и гидростатического давления 4 преобразователя 1 гидрофизических параметров морской воды измеряют удельную электрическую проводимость, температуру и гидростатическое давление в месте нахождения подводного носителя. На выходах преобразователей 2 УЭП, 3 температуры, и 4 давления формируются напряжения, пропорциональные измеренным значениям удельной электрической проводимости, температуры и гидростатического давления, которые подаются на входы АЦП 5, где преобразуются в цифровую форму. По последовательному интерфейсу измеренные значения первичных параметров поступают в микроконтроллер 6, где с учетом хранящихся в памяти коэффициентов преобразования преобразователей 2, 3, 4 и шкалы АЦП 5 пересчитываются в размерные величины УЭП (мСм/см), температуры (°C) и давления (МПа), после чего по последовательному интерфейсу передаются в УВООИ 7.
По полученным размерным значениям первичных параметров УЭП, температуры и давления в УВООИ 7 рассчитываются значения вторичных гидрофизических параметров морской воды - солености, плотности и скорости распространения звука. Вторичные параметры рассчитываются по приведенным выше формулам, связывающим значения вторичных параметров с измеренными первичными параметрами:
- для солености формула (1);
- для плотности формула (5);
- для скорости распространения звука формула (15).
Одновременно с получением значений первичных и вторичных гидрофизических параметров морской воды производится определение глубины погружения.
В соответствии с формулой (16) глубина погружения рассчитывается по известным значениям гидростатического давления и угла географической широты местоположения.
Значение угла географической широты местоположения, представленное в цифровом виде, поступает на второй вход УВООИ системы от навигационного комплекса подводного носителя. Запись угла географической широты местоположения происходит по запросу от УВООИ.
Рассчитанное по формуле (16) с учетом полученных в процессе измерений значений гидростатического давления и угла географической широты значение глубины привязывается к значениям измеренных первичных и вторичных параметров, полученных на этой глубине.
Результаты измерения параметров морской воды, привязанные к значению глубины, на которой они измерены, архивируются УВООИ и могут отображаться на его мониторе.
Таким образом, в предложенной полезной модели достигается следующий результат: повышена точность измерения глубины погружения, на которой производятся измерения гидрофизических параметров морской воды, путем автоматического ввода значений географической широты местонахождения от навигационного комплекса подводного носителя.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемая система может быть изготовлена согласно приведенному описанию и структурной схеме на основе известных комплектующих изделий и может быть использована для измерений гидрофизических параметров морской воды с подводного носителя.
Источники информации
1. П.А.Калашников. Первичная обработка гидрологической информации. Л. Гидрометиздат, 1985, с.47, 80, 113.
2. ГСССД 77-84 Морская вода. Шкала практической солености.
3. ГСССД 202-02 Морская вода. Скорость звука при соленостях 0…40‰, температурах 0,1…40°C и избыточных давлениях 0…60 МПа.
4. Патент на изобретение РФ №2313769, МПК G01H 5/00, опубликован 27.12.2007.
5. Патент на изобретение РФ №2320975, МПК G01N 9/00, опубликован 27.03.2008.
6. Патент на полезную модель РФ №59256, МПК G01N 27/00, публикация 10.12.2006, (прототип).