Технологии измерения уровня моря

Проводится анализ современных методов и средств измерения уровня моря и вод суши, дается описание созданного в МГИ НАН Украины CTD-измерителя уровня моря, формулируются требования к идеальному измерителю уровня вод и показывается, что таким прибором может быть электронная мерная рейка на базе распре...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Гайский, В.А., Гайский, П.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Морський гідрофізичний інститут НАН України 2010
Назва видання:	Морской гидрофизический журнал
Теми:	Автоматизация научных исследований морей и океанов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56754
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Технологии измерения уровня моря / В.А. Гайский, П.В. Гайский // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 58-73. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-56754
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-567542014-02-24T03:14:53Z Технологии измерения уровня моря Гайский, В.А. Гайский, П.В. Автоматизация научных исследований морей и океанов Проводится анализ современных методов и средств измерения уровня моря и вод суши, дается описание созданного в МГИ НАН Украины CTD-измерителя уровня моря, формулируются требования к идеальному измерителю уровня вод и показывается, что таким прибором может быть электронная мерная рейка на базе распределенных термопрофилемеров Уолша. Проводиться аналіз сучасних методів і засобів вимірювання рівня моря і вод суші, дається опис створеного в МГІ НАН України CTD-вимірювача рівня моря, формулюються вимоги до ідеального вимірника рівня вод і показується, що таким приладом може бути електронна мірна рейка на базі розподілених термопрофілемірів Уолша. Modern methods and means of measurement of sea and land water levels are analyzed. Description of CTD-sea level meter developed in MHI NAS of Ukraine is given. Requirements to ideal water level measuring instrument are formulated. It is shown that electronic sounding stick based on the distributed Wolsh thermoprofilemeters, can be such a device. 2010 Article Технологии измерения уровня моря / В.А. Гайский, П.В. Гайский // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 58-73. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0233-7584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56754 551.46.08 ru Морской гидрофизический журнал Морський гідрофізичний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Автоматизация научных исследований морей и океанов Автоматизация научных исследований морей и океанов
spellingShingle	Автоматизация научных исследований морей и океанов Автоматизация научных исследований морей и океанов Гайский, В.А. Гайский, П.В. Технологии измерения уровня моря Морской гидрофизический журнал
description	Проводится анализ современных методов и средств измерения уровня моря и вод суши, дается описание созданного в МГИ НАН Украины CTD-измерителя уровня моря, формулируются требования к идеальному измерителю уровня вод и показывается, что таким прибором может быть электронная мерная рейка на базе распределенных термопрофилемеров Уолша.
format	Article
author	Гайский, В.А. Гайский, П.В.
author_facet	Гайский, В.А. Гайский, П.В.
author_sort	Гайский, В.А.
title	Технологии измерения уровня моря
title_short	Технологии измерения уровня моря
title_full	Технологии измерения уровня моря
title_fullStr	Технологии измерения уровня моря
title_full_unstemmed	Технологии измерения уровня моря
title_sort	технологии измерения уровня моря
publisher	Морський гідрофізичний інститут НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Автоматизация научных исследований морей и океанов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/56754
citation_txt	Технологии измерения уровня моря / В.А. Гайский, П.В. Гайский // Морской гидрофизический журнал. — 2010. — № 4. — С. 58-73. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Морской гидрофизический журнал
work_keys_str_mv	AT gajskijva tehnologiiizmereniâurovnâmorâ AT gajskijpv tehnologiiizmereniâurovnâmorâ
first_indexed	2025-07-05T08:03:40Z
last_indexed	2025-07-05T08:03:40Z
_version_	1836793327433809920
fulltext	ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 58 © В.А. Гайский, П.В. Гайский, 2010 Автоматизация научных исследований морей и океанов УДК 551.46.08 В.А. Гайский, П.В. Гайский Технологии измерения уровня моря Проводится анализ современных методов и средств измерения уровня моря и вод суши, да- ется описание созданного в МГИ НАН Украины CTD-измерителя уровня моря, формулируют- ся требования к идеальному измерителю уровня вод и показывается, что таким прибором мо- жет быть электронная мерная рейка на базе распределенных термопрофилемеров Уолша. Введение Согласно [1 – 4], уровень моря – это высота свободной поверхности Ми- рового океана, измеряемая относительно некоторого условно принятого за нуль горизонта. Изменения уровня природных вод всегда представляли инте- рес для человека как фактор безопасности среды обитания и условий хозяй- ственной деятельности. Первоначально эти изменения фиксировались визу- ально относительно отметок о высоком и низком уровнях вод на скалах, а затем относительно меток мерных реек, выполненных на специально уста- новленных досках, вехах, сваях, опорах мостов. Мерная рейка до сих пор ос- тается наиболее распространенным инструментом для измерения уровня вод суши и моря благодаря дешевизне и надежности. Визуальный отсчет с помощью мерных реек дает значение мгновенного уровня вод. По определению [4], наблюдаемый (мгновенный) уровень содер- жит средний уровень, составляющую прилива – отлива и метеорологическую составляющую. Согласно стандарту [1], под уровнем моря понимается высота поверхно- сти моря, свободная от ветровых волн и зыби, измеренная относительно ус- ловного горизонта (нуля наблюдений поста, плоскости нуля рейки). Следова- тельно, информация о мгновенном уровне вод должна быть определенным образом отфильтрована для получения данных об уровне. Однако количест- венные характеристики такой фильтрации не являются общепринятыми или установленными стандартом. Временная изменчивость уровня вод, например Черного моря [3], может быть обусловлена одновременно такими естественными явлениями, как реч- ной сток, испарение с поверхности, атмосферные осадки, водообмен через проливы, антропогенный сток, оседание и уплотнение донных осадков, вет- ровое перераспределение вод по пространству, атмосферное давление, про- странственно-временные изменения плотности воды, сгонно-нагонные явле- ния, волновые процессы (сейши и приливные колебания), геодинамические ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 59 силы (обусловленные поднятием и опусканием земной коры медленные вер- тикальные движения), цунами. Эти явления имеют разные масштабы про- странственной и временной изменчивости. Некоторые из них являются пе- риодическими, и для них могут быть известны спектрально-волновые окна существования. Тогда их вклад может быть выделен при обработке записей мгновенного уровня вод, например для приливов. Для частотного спектра волнения, исходя из современных требований к измерению параметров по- верхностных волн, при использовании измерителя мгновенного уровня вод можно ограничиться частотным диапазоном входного сигнала 0 – 5 Гц. Существующие стандарты не устанавливают количественные характери- стики той фильтрации, которая дает значение уровня, соответствующего оп- ределению «свободного от волн и зыби». А это делает наблюдения на раз- личных постах с различной фильтрацией в успокоителях и при обработке не- корректно сравнимыми. Поэтому на измеритель уровня вод целесообразно возложить задачу измерения мгновенного уровня, а все задачи фильтрации решать при обработке первичных данных, которая может быть унифициро- ванной и регионально адаптированной. В этой связи установленные в на- стоящее время сроки наблюдения уровня на водах суши в 8 и 20 ч и дополни- тельно через 2, 4 и 6 ч требуют пересмотра. В используемых измерителях уровня вод происходит неконтролируемая фильтрация сигнала о мгновенном уровне, а по результатам измерений вы- числяются средние уровни за час, сутки, месяцы, годы, выделяются различ- ные периодические составляющие, определяются спектральные характери- стики. Прежде чем обрабатывать первичную измерительную информацию об изменении уровня вод как о процессе, правильным было бы знать его харак- теристики на выходе измерителя. Цель данной работы – анализ состояния и тенденций развития техноло- гий измерения уровня природных вод и ознакомление с перспективными раз- работками МГИ НАН Украины в этой области. Анализ используемых измерителей уровня природных вод Отсутствие автоматизации измерений, регистрации, передачи и обработ- ки информации сделало традиционные мерные рейки неконкурентноспособ- ными перед приборами, выполняющими эти операции. Первый механический измеритель уровня вод с часовым механизмом, самописцем, успокоительным колодцем и осреднением был сделан еще в 1830 г. [4]. Позднее появились электромеханические и электронные измери- тели уровня. Успокоительные колодцы. В настоящее время большинство уровнемер- ных постов имеют успокоительные колодцы, в которых установлены поплав- ковые самописцы уровня моря, регистрирующие данные на бумажную ленту с дискретностью 1 ч и более. По побережью Черного моря таких постов око- ло 50, в Украине – 14 [3]. Некоторые из них оборудованы приставкой для преобразования угла поворота вала самописца в цифровой код и регистрации (передачи) данных в цифровой форме [3]. Такая автоматизация измерений и ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 60 получения данных в цифровой форме, безусловно, полезна. Однако она не улучшает метрологических характеристик метода измерения, реализуемого поплавковым самописцем в колодце. Изучение репрезентативности измере- ний уровня моря в успокоительных колодцах показало [5], что вода в них су- щественно отличается от воды в море по температуре и солености вследствие плохого водообмена, возможного подтопления грунтовыми и стоковыми во- дами. Так, на гидрологическом посту на Павловском мысе ГМС «Севасто- поль» вода в уровнемерном колодце была по температуре на 8 – 10°С, а по солености на 12 – 15 единиц практической солености ниже, чем в море [6]. Это приводило к отличию плотности воды в море и в колодце и, независимо от измерителя уровня в колодце, – к погрешности измерения уровня 0,5 – 1%. Организация проточного режима колодцев для усиления водообмена с морем вряд ли практически возможна по экономическим соображениям (до- полнительные капитальные и эксплуатационные затраты) и нецелесообразна в связи с дополнительной погрешностью от напора или нарушением верти- кальной стратификации. Таким образом, для исключения погрешности измерения уровня моря, вызванной различием средней плотности воды в море и в колодце, необходи- мо измерять эту плотность и вносить соответствующую поправку в результат измерения уровня. Другим источником погрешности измерения уровня в уровнемерном ко- лодце может быть погрешность дискретизации, вызванная элиайзингом вы- соких частот, прошедших демпфирующую трубу, соединяющую колодец с морем. Наличие элиайзинга верхних частот при интервале дискретизации 1 ч обнаружено по записям уровня с интервалом дискретизации 5 мин [7]. Сле- довательно, успокоительный колодец не полностью фильтрует частоты с пе- риодом менее 1 ч. Для правильной интерпретации результатов измерения уровня в колодце вообще необходимо знать его передаточную функцию. Очевидно, что она будет индивидуальной для каждого колодца. Гидростатические измерители уровня. Наиболее распространены гидро- статические измерители уровня, использующие датчики абсолютного или разностного давления, которые устанавливаются ниже уровня «нуля поста». Показания датчика абсолютного давления определяются выражением ghPdzzgPP a h a ρρ +=+= ∫ 0 )( , (1) где aP – давление атмосферы; )(zρ – вертикальный профиль плотности в столбе воды над датчиком; ρ – средняя по профилю плотность; g – ускоре- ние силы тяжести в точке установки датчика; h – уровень воды над датчиком. Поскольку aP может изменяться, например в диапазоне ±10% от средне- го значения 850 гПа, что эквивалентно колебанию уровня вод в пределах ±1 м, учет aP при измерении P необходим. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 61 Для исключения aP используют датчики разностного давления, соединен- ные трубкой с атмосферой, при этом их показания определяются выражением ghdzzgP h P ρρ == ∫ 0 )( . (2) Использование отдельного датчика для измерения aP с последующим исключением атмосферного давления из результата измерения P при обра- ботке данных может оказаться предпочтительнее. При этом погрешность из- мерения aP прямо войдет в результат измерения уровня: g P g PP h Pa ρρ =−= . (3) Поскольку, как будет показано ниже, класс точности современных дат- чиков давления может быть выше, чем современные требования к точности измерения уровня, основным источником методической погрешности гидро- статического измерителя уровня является неопределенность значения сред- ней по уровню плотности ρ . Чтобы определить реальное ρ , необходимо знать реальный профиль )(zρ . Из регионального уравнения состояния морской воды (например для Черного моря) [8] можно вычислить )(zρ по профилям температуры )(zθ , электропроводимости )(zC и гидростатического давления )(zP , которые также необходимо знать. Задача определения уровня моря по гидростатическому давлению на «нуле поста» аналогична задаче определения глубины нахождения океано- графического прибора по гидростатическому давлению, которая решалась в ряде работ [9, 10]. Если этот прибор является СTD-зондом, то профили )(zθ , )(zC , )(zP обычно определяются при зондировании на эту глубину. Если это другой океанографический прибор, то используются данные стандартно- го моря из климатического массива, которые при расчете глубины дадут по- грешность, составляющую единицы процентов [10]. При использовании датчиков давления, установленных в воде ниже уров- ня «нуля поста» вблизи берега, возможно, нет необходимости контролиро- вать )(zρ , поскольку из-за наличия волнения и перемешивания воды может отсутствовать вертикальная стратификация и тогда ρρ == const)(z . Однако знать ρ (или θ и C ) необходимо. При использовании датчиков давления, установленных в успокоительном колодце, где перемешивание отсутствует и возможна вертикальная страти- фикация, желательно или контролировать )(zρ , или сразу определять ρ через измерение θ и C датчиками с пространственным (объемным) осреднением. Поскольку чувствительность ρ к параметрам θ и C примерно одинако- ва, дисперсия допустимых погрешностей их измерения должна составлять не более трети от дисперсии допустимой погрешности измерения плотности или ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 62 уровня [10]. Таким образом, для получения погрешности меньше 1% гидро- статические измерители уровня должны быть дополнены измерителями тем- пературы и электропроводимости и стать СTD-измерителями уровня. Фильт- рующая способность гидростатических измерителей зависит от глубины по- становки датчика давления, поскольку амплитуда волн затухает с глубиной по экспоненциальному закону. Однако возможности подавления длинных волн заглублением датчика ограничены вследствие существующей погреш- ности измерения давления 0,02 – 0,1%, которая определяет абсолютную по- грешность измерения уровня 1 – 5 мм. Пневматические измерители уровня. Пневматические (пузырьковые) из- мерители уровня [11] можно отнести к гидростатическим измерителям, по- скольку в них давление с некоторого горизонта ниже «нуля поста» под по- верхностью воды передается на берег с помощью трубки (с открытым в воде концом), заполненной нагнетаемым азотом, пузырьки которого выходят из отверстия; гидростатическое давление измеряется на другом конце трубки на берегу с вычитанием давления атмосферы. Этим измерителям присущи все погрешности гидростатических разност- ных измерителей, указанные выше. Кроме того, имеются эксплуатационные трудности по обслуживанию компрессора, и отмечается также плохая рабо- тоспособность таких измерителей при сильном волнении. Акустические измерители уровня. В рамках программы MedGloss (Medit- erannien Global See Observing Systeme) в дополнение к уже установленным на постах самописцам уровня для сохранения преемственности наблюдений ус- танавливают современные мареографы, в частности акустические [11]. Их принцип действия состоит в измерении времени прохождения звукового им- пульса туда и обратно между излучателем-приемником и поверхностью во- ды. Акустический излучатель-приемник располагают в воздухе над наивыс- шим уровнем в колодце или звуковой трубе для защиты акустической трассы от внешней среды. Инструментальные метрологические характеристики этих измерителей очень высоки: разрешение по уровню 1 мм; погрешность градуировки ±0,01%; погрешность нелинейности ±0,02%; допустимая скорость изменения уровня – до 3 м/с и т. д. Однако имеются источники методических погрешно- стей, которые могут свести эти достоинства на нет. Прежде всего, возникает рассмотренный выше вопрос о репрезентативности наблюдений вследствие возможной разницы средних плотностей воды в море и в трубе (колодце). Акустические измерители выпускаются с диапазонами 10; 15 и 23 м. По- скольку скорость звука в воздухе зависит от температуры и влажности, для измерения в рабочем режиме используется время прихода сигнала, отражен- ного от точки, расположенной на расстоянии 1,2 м от излучателя-приемника. При этом контролируемая база составляет соответственно 12; 8 и 5% от диа- пазона измерения. Если на акустической трассе установится плотностная стратификация и, например, средние температуры на трассе и на образцовой базе будут отличаться на 10°С, то погрешность измерения уровня будет дос- тигать 2 см. Нет никаких гарантий того, что средняя скорость на всей трассе всегда равна средней скорости на ее малой части. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 63 Идеальный измеритель уровня. Исходя из изложенного выше, можно сформулировать следующие требования к современному идеальному измери- телю уровня. Он должен: – автоматически измерять в цифровой форме, регистрировать и переда- вать данные; – выполнять прямое измерение мгновенного уровня вод непосредственно «in situ», аналогично мерной рейке; – быть инвариантным ко всем другим параметрам среды, кроме уровня вод; – давать результат измерения, интерпретация которого после обработки была бы совместима с результатами предшествующих многолетних наблю- дений традиционными и (или) другими средствами; – быть пригодным для установки на существующих уровенных постах вместо или совместно с другими средствами без существенного изменения конструкции специальных капитальных сооружений или без таковых; – сохранять работоспособность в шторм, зимой и при образовании льда. Поскольку обычно гидрологические посты, кроме измерения уровня, проводят также другие наблюдения, желательно, чтобы измеритель уровня дополнительно выполнял какие-либо из них. Например, определял: профиль температуры в атмосфере и в воде на границе вода – воздух; толщину льда; толщину снега; уровень воды подо льдом. CTD-измеритель уровня моря ИУМ-1. В последние годы по заказу Гид- рометеослужбы Украины в МГИ НАН Украины был создан новый гидроста- тический измеритель уровня моря ИУМ-1 [12, 13]. Прибор предназначен для автономного измерения уровня моря в стандартных водомерных колодцах без существенного влияния на результат изменений атмосферного давления, солености и температуры воды. Общий вид ИУМ-1 показан на рис. 1. В состав измерителя входят: блок погружной с датчиками – 1; блок уп- равления с клавишной панелью, флэш-памятью и жидкокристаллическим дисплеем в корпусе, защищенном от вандализма, – 2; кабель связи и питания в соединительной трубке – 3; технологический кабель связи с ПЭВМ; про- граммное обеспечение «Level» для ПЭВМ. Прибор измеряет разность давле- ния на фиксированном горизонте в воде и в атмосфере, температуру и элек- тропроводимость воды с устанавливаемым периодом опроса от 22 с и выше. Результаты измерений регистрируются в памяти, по вызову отображаются на дисплее и (или) передаются в ПЭВМ. При расчете уровня учитываются изме- нения плотности воды в зависимости от солености и температуры. Метрологические характеристики ИУМ-1 по данным государственных приемочных испытаний приведены в табл. 1, технические характеристики прибора – в табл. 2. Прибор прошел опытную эксплуатацию на уровенном посту на Павловском мысе ГМС «Севастополь» в период 14 июля – 30 ноября 2003 г. Измерения уровня выполнялись с дискретностью 5 мин в одном ко- лодце параллельно с поплавковым самописцем СУМ, который регистрировал отсчеты с периодом 1 ч [7]. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 64 Р и с. 1. Общий вид ИУМ-1: 1 – блок погружной; 2 – блок управления; 3 – соединительная трубка с кабелем Т а б л и ц а 1 Метрологические характеристики ИУМ-1 Измеряемый параметр Диапазон измерения Случайная погрешность Погрешность Уровень моря, м 0 – 2,00 0,002 ±0,02 Разностное давление, кПа 0 – 20 0,03% ±0,15% Температура воды, °С 0 – 35 0,030 ±0,10 Электропроводимость, отн. ед. 0,01 – 0,9 0,001 ±0,003 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 65 Т а б л и ц а 2 Технические характеристики ИУМ-1 Записи длиннопериодных колебаний уровня обоих приборов совпадали, а амплитуды короткопериодных колебаний после 16-часового осреднения у поплавкового самописца оказались больше, что можно объяснить наличием элиайзинга. Подтвердилась необходимость контроля температуры и электропрово- димости в колодце, без которого погрешность определения уровня была бы в 2-3 раза больше. ИУМ-1 является составной частью комплекса оборудования морской прибрежной гидрометеостанции «Бриз», в составе которой имеются измери- тели температуры и электропроводимости воды в прибрежных водах. Это позволяет контролировать различие в плотности воды в колодце и в море и обеспечить репрезентативность наблюдений уровня. Если обратиться к табл. 1, то можно отметить, что приведенные метроло- гические характеристики измерительных каналов не являются предельно достижимыми и могут быть на современном уровне «улучшены» по разност- ному давлению в 15 раз, по температуре в 50 раз, по относительной электро- проводимости в 10 раз. Следовательно, точность CTD-измерителя уровня Характеристика Значение Тип интерфейса RS232 Электропитание: в автономном режиме от аккумулятора 12 В, 1,2 А⋅ч от сети ∼ 220 В, 50 Гц, 20 Вт Автономность по памяти в зависимости от периода регистрации 32 – 1020 сут Габаритные размеры, мм: блок погружной ∅ 80×190 блок управления ∅ 300×160 Масса, кг: блок погружной 4 блок управления 12 Диапазон рабочих температур воздуха, °С 30 – 50 Диапазон рабочих атмосферных давлений, кПа (мм рт. ст.) 84 – 106 (630 – 800) Полный срок службы, лет не менее 8 Межповерочный интервал, сут не менее 180 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 66 может быть увеличена не менее чем в 10 раз, тогда погрешность измерения уровня будет составлять ±2 мм. Однако такой измеритель будет иметь и бóльшую стоимость. Очевидно, что CTD-измеритель уровня моря удовлетворяет только части требований к идеальному измерителю. Измерители уровня на базе распределенных термопрофилемеров. Пред- ставляют интерес возможности распределенных термопрофилемеров по оп- ределению положения границ раздела различных сред: воздух – вода (уро- вень вод), воздух – снег – лед – вода (толщина снежного покрова и льда, уро- вень вод), воздух – снег – лед – воздух – вода (дополнительно толщина воз- душной прослойки подо льдом). Рассмотрим эти возможности термопрофи- лемеров, которые измеряют текущий профиль температуры среды вдоль дат- чика ),(ñ tzθ . Как известно [14], принцип действия распределенных термопрофилеме- ров основан на разложении профиля температуры вдоль термочувствитель- ного кабеля по функциям ортогонального базиса, коэффициенты которых определяются по сопротивлениям проводов. Для определения положения границ раздела сред, а также по технологи- ческим причинам удобно использовать для модуляции функции Уолша, имеющие вид прямоугольных волн с дискретным шагом по пространству и двоичным значением амплитуд. Используются один, два или три датчика тер- мопрофилемера с подогревом или без, которые устанавливаются в сечении через границы раздела [15 – 19] . Информативными для определения положения границ раздела сред с раз- личными теплофизическими свойствами могут быть профили: температуры среды ),(ñ tzθ , коэффициента теплообмена датчика со средой ),( tzα , тепло- емкости датчика с присоединенной массой ),( tzmc , а также динамические и спектральные характеристики этих величин. Профиль температуры среды ),(ñ tzθ . При использовании одного датчи- ка без подогрева, эквивалентного инерционному звену 1-го порядка, уравне- ние теплового баланса имеет вид [ ] 0 ),( ),(),(),( 1 ñ1 = ∂ ∂+− t tzmc Stztztz θαθθ , (4) где ),(1 tzθ – мгновенная (текущая) температура датчика; ),(ñ tzθ – мгновен- ная (текущая) температура среды вдоль датчика; mc – погонная теплоем- кость датчика; ),( tzα – погонный текущий коэффициент теплообмена дат- чика со средой; S – погонная площадь внешней поверхности датчика. Можем записать t tz Stz mc tztz ∂ ∂+= ),( ),( ),(),( 1 1ñ θ α θθ . (5) Если температура слоя среды не изменяется, то не изменяется и локаль- ная температура датчика ),(1 tzθ и 0 ),(1 = ∂ ∂ t tzθ . Тогда имеет место устано- ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 67 вившийся режим и ),(),( 1ñ tztz θθ = , т. е. профили температуры среды и дат- чика совпадают. Если граничные слои среды (воздух – снег – лед – воздух – вода) имеют разную температуру, то на вертикальном профиле )(1 zθ грани- цам раздела сред будет соответствовать максимум производной z z ∂ ∂ )(1θ . Однако при равенстве или близости температуры слоев этот способ оп- ределения границ раздела не работает. Медленно изменяющиеся профили температуры среды )(ñ zθ и коэффи- циента теплообмена )(zα . Если принять, что конструктивные параметры датчика mc и S известны и постоянны и профиль температуры среды )(ñ zθ и ее физические свойства )(zα не изменяются существенно за несколько (не менее трех) отсчетов профиля температуры датчика ),(1 tzθ , который подог- ревается переменной мощностью ),( tzP , то для двух моментов времени it и 1+it получим уравнения теплового баланса t tz mcSzzSztztP ii ∂ ∂+−= ),( )()()(),()( 1 ñ1 θαθαθ , (6) t tz mcSzzSztztP ii ∂ ∂+−= ++ ),( )()()(),()( 1 ñ111 θαθαθ . Из решения системы уравнений (6) следует [ ]),(),( ),(),( )()( )( 111 111 1 + + + −     ∂ ∂− ∂ ∂−− = ii ii ii tztzS t tz t tz mctPtP z θθ θθ α , (7) [ ] [ ] Sz t tz t tz mctPtPSztztz z ii iiii )(2 ),(),( )()()(),(),( )( 111 1111 ñ α θθαθθ θ       ∂ ∂+ ∂ ∂++−+ = + ++ .(8) В общем случае моменты времени it и 1+it произвольны, но условие постоян- ства )(zα за время измерений налагает требование их близости. С другой стороны, для корректного вычисления )(zα по выражению (7) желательно, чтобы профили температуры датчика ),(1 itzθ и ),( 11 +itzθ различались как можно больше. Это может быть обеспечено снижением параметра термиче- ской инерции за счет S mc при одновременном увеличении изменчивости мощности нагрева )(tP . Таким образом, реализация динамического режима нагрева датчика с большей изменчивостью во времени, чем изменчивость внешней среды по температуре и коэффициенту теплообмена, позволяет с помощью одного ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 68 термопрофилемера получить профили температуры среды )(ñ zθ и коэффици- ента теплообмена датчика со средой )(zα . Поскольку коэффициент теплообмена α зависит от плотности, тепло- проводности, кинематической вязкости, удельной теплоемкости среды и ско- рости обтекания средой датчика, для разных сред воздух – вода он отличает- ся в несколько раз и является более информативным, чем температура для определения положения границ раздела сред, соответствующих максималь- ным пространственным градиентам z z ∂ ∂ )(α . Однако использование одного датчика для измерения )(zα в динамиче- ском режиме затруднено. Профили коэффициента теплообмена ),( tzα и температуры среды ),(ñ tzθ . Определяются при помощи двух термопрофилемеров, установлен- ных параллельно в сечении через границу раздела сред. При использовании двух пассивных датчиков с идентичными конструк- тивными размерами – диаметром кабеля d и площадью поверхности S (следовательно, равными коэффициентами теплообмена 21 αα = ), но с разной теплоемкостью справедливы следующие выражения [16]: ),(),( ),(),(),(),( ),( 111222 12112122 ñ tzcmtzcm tztzcmtztzcm tz θθ θθθθθ ′−′ ′−′ = , (9) [ ]),(),( ),(),( ),( 12 222111 tztzS tzcmtzcm tz θθ θθ α − ′−′ = . (10) Однако невозможно обеспечить изменчивость среды и трудно изготовить идентичные по форме, но различные по теплоемкости датчики. При использовании одного пассивного, а другого подогреваемого мощ- ностью )(tP датчика с одинаковыми известными конструктивными парамет- рами Scm ,, справедливы следующие выражения [17]: ),( ),( ),( ),(),( ),( ),(),( ),( 12 2221 ñ tz mc tzP tz tztz mc tzP tztz tz θθ θθθθ θ ′−−′ ′−    −′ = , (11) [ ] [ ]),(),( )(),(),( ),( 12 21 tztzS tPtztzmc tz θθ θθα − +′−′ = . (12) Упростим выражение (12). Введем обозначение ),(),(),( 12 tzθtzθtzθ ∆=− и получим для скользящего среднего на интервале τ значение ),( tzα : ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 69 ∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫∫ −−−−−−−−−−−− ′′′′ ++++==== t t t t t t dt tz tz S mc dt tzS tzP dttz τττ θ θ τθτ α τ , ),( ),( ),( ),(1 ),( 1 ∆ ∆ (13) ),( ),( ln ),( ),(1 ),( tz tz S mc dt tzS tzP tz t t θ τθ τθτ α τ τ ∆ ∆ ∆ ++++++++==== ∫∫∫∫ −−−− . (14) Если ),( tzP – периодическая функция с периодом τ , то ),( tzθ∆ – также пе- риодическая функция с периодом τ и 1 ),( ),( = ∆ +∆ tz tz θ τθ , 01ln = , и для среднего на интервале τ коэффициента теплообмена ),( tzτα получим dt tz tzP S tz t t ∫∫∫∫ −−−− ==== τ τ θτ α ),( ),(1 ),( ∆ , (15) где функции ),( tzP и ),( tzθ∆ известны и интеграл в выражении (15) берется численно. Если )(const),( zPtzP == и изменчивость во времени среды мала так, что 0),( =∆′ tzθ , то в стационарном режиме )( )( )( zS zP z θ α ∆ = . (16) Если термопрофилемер реализован на базе функций Уолша, то профиль )(zθ∆ будет представлять собой ступенчатую функцию, ширина ступеньки которой равна шагу z∆ функции Уолша, а высота ступеньки равна средней на z∆ разности температур )(zθ∆ . Если граница раздела двух сред пересека- ет z-ю ступеньку, то максимальная разница высот у двух соседних ступенек )1( −z и )1( +z будет равна )1()1( −∆−+∆ ii θθ . Значение )(zθ∆ позволяет интерполировать положение границы раздела внутри z-й ступеньки как z zz zz ∆ −∆−+∆ −∆−∆ )1()1( )1()( θθ θθ . (17) Если граница раздела является уровнем h , то его значения вычисляются по выражению       −∆−+∆ −∆−∆∆+−∆= )1()1( )1()( )1( zz zz zzzh θθ θθ . (18) На рис. 2 представлены результаты эксперимента с двумя распределен- ными термопрофилемерами Уолша длиной по одному метру с пространст- венным шагом 125,0=∆z м. Один датчик пассивный, другой подогревается равномерно общей постоянной мощностью 3 Вт. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 70 Р и с. 2. Результаты эксперимента с распределенным термопрофилемером Уолша: а – датчики в сосуде с водой на уровне h = 0,343 м; б – профиль температуры пассивного датчика θ1(z); в – профиль температуры нагретого датчика θ2(z); г – профиль разности температур ∆θ (z) = = θ2(z) – θ1(z); д – профиль модуля разности разностей температур на соседних участках ∆θ (z + 1) – ∆θ (z – 1); е – профиль коэффициента теплообмена α(z) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 71 Вычисление уровня выполнялось по выражению (18). Измеренный уро- вень воды в сосуде составил 0,343 м. Колебания реального уровня вместе с инструментальными шумами во времени приведены на рис. 3. Р и с. 3. Измеренный распределенным термопрофилемером уровень воды во времени Эксперимент показал, что для конкретного датчика с шагом 0,125 м и мощностью нагрева 3 Вт/м возможно определение уровня (или положения нескольких границ раздела слоев) с погрешностью ±0,1% (±1 мм). Если требуется определять границы раздела многослойных сред, то шаг модуляции датчика должен быть меньше предполагаемой толщины слоя. Профили температуры среды ),(ñ tzθ , коэффициента теплообмена ),( tzα и теплоемкости ),)(( tzmc . В случае, когда на датчики налипает снег или лед и локально изменяется удельная теплоемкость ))(( zmc , ее можно оп- ределить при использовании трех идентичных распределенных датчиков с разными мощностями нагрева ),(1 tzP , ),(2 tzP , ),(3 tzP [19]. При этом спра- ведливы выражения [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ])()()()()()()()( )()()()()()()()( ),)(( 13121213 13121213 tttttttt tttPtPtttPtP tzmc θθθθθθθθ θθθθ ′−′−−′−′− −−−−−= , (19) [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ] [ ][ ])()()()()()()()( )()()()()()()()( ),( 13121213 13121213 tttttttt tttPtPtttPtP Stz θθθθθθθθ θθθθα ′−′−−′−′− ′−′−−′−′−= , (20) ∑ =       +′ −= 3 1 ñ ),( )()( ),( 3 1 ),( i ii i Stz tPtmc tztz α θθθ . (21) ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 72 Профиль температуры среды ),(ñ tzθ вычисляется по (21) как средний по трем профилям ),( tziθ (i = 1, 2, 3). Таким образом, распределенные термопрофилемеры реагируют на изме- нение различных параметров внешней среды вдоль профиля, что позволяет определять границы сред. Заключение 1. Из всех существующих технологий с косвенным измерением уровня наиболее корректным и удобным в реализации и эксплуатации является ме- тод с использованием CTD-измерителя. 2. Требованиям идеального измерителя уровня больше других соответст- вуют электронные мерные рейки, реализованные на основе термопрофилеме- ров. Технологии с их использованием представляются наиболее перспектив- ными. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ 18452-73. Океанология. Уровень моря. Термины и определения. – М.: Госстан- дарт СССР, 1973. – 5 с. 2. Объединенный стратегический план прибрежного модуля Глобальной системы наблю- дений за океаном / Отчет ГСНО № 125; серия информационных документов МОК № 1183. – ЮНЕСКО, 2003. 3. Горячкин Ю.Н., Иванов В.А. Уровень Черного моря: прошлое, настоящее и будущее / Под ред. В.Н. Еремеева. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2006. – 210 с. 4. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – 448 с. 5. Забурдаев В.И., Логвинчук А.Н. О корректности измерений уровня моря в уровнемер- ных колодцах // Системы контроля окружающей среды. – Севастополь: МГИ НАН Ук- раины, 2004. – С. 62 – 64. 6. Греков Н.А., Забурдаев В.И., Клименко А.В. и др. Результаты исследовательских испы- таний гидростатического уровнемера ИУМ-1 // Системы контроля окружающей среды / Методические, технические и программные средства. – Севастополь: МГИ НАН Ук- раины, 2003. – С. 13 – 25. 7. Греков Н.А., Забурдаев В.И., Гайский П.В. и др. Результаты опытной эксплуатации из- мерителя уровня моря ИУМ-1 // Системы контроля окружающей среды. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2005. – С. 53 – 66. 8. Забурдаев В.И., Гайский П.В. Практические формулы взаимосвязи давления и глубины в Черном море // Морской гидрофизический журнал. – 2002. – № 6. – С. 36 – 44. 9. Saunder P.M. Practical conversion of pressure to depth // J. Phys. Oceanogr. – 1981. – 11. – P. 573 – 574. 10. Забурдаев В.И., Логвинчук А.Н. Требование к метрологическим характеристикам и ал- горитмам обработки данных гидростатических измерителей уровня воды // Системы контроля окружающей среды. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2002. – С. 108 – 118. 11. Логвинчук А.Н. Обзор методов и средств измерения уровня моря // Там же. – 2005. – С. 47 – 52. 12. Гайский В.А., Греков Н.А., Гайский П.В. и др. Измеритель уровня моря // Там же. – 2001. – С. 67 – 70. 13. Гайский В.А., Греков Н.А., Гайский П.В. и др. СТД-измеритель уровня моря ИУМ-1 // Там же. – 2003. – С. 5 – 12. ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2010, № 4 73 14. Гайский В.А., Гайский П.В. Распределенные термопрофилемеры и их возможности в океанографических исследованиях // Морской гидрофизический журнал. – 1999. – № 6. – С. 46 – 76. 15. Гайский В.А., Гайский П.В. Определение положения границ раздела сред с помощью распределенных термопрофилемеров // Системы контроля окружающей среды. – Сева- стополь: МГИ НАН Украины, 2004. – С. 65 – 69. 16. Патент України № 58633. Спосіб визначення положення меж розподілу середовищ. Гайський В.О., Гайський П.В. – Опубл. 15.08.2003. Бюл. № 8. 17. Патент України № 67847. Спосіб визначення положення меж розподілу середовищ. Гайський В.О., Гайський П.В. – Опубл. 15.07.2004. Бюл. № 7. 18. Гайский В.А., Егупов Н.Д., Корнюшин Ю.П. Применение функций Уолша в системах автоматизации научных исследований. – Киев: Наук. думка, 1993. – 210 с. 19. Патент України № 74904. Спосіб вимірювання параметрів газів та рідин. Гайсь- кий В.О., Гайський П.В. – Опубл. 15.02.2006. Бюл. № 2. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил Севастополь в редакцию 25.02.09 E-mail: oaoimhi@inbox.ru После доработки 06.04.09 АНОТАЦІЯ Проводиться аналіз сучасних методів і засобів вимірювання рівня моря і вод суші, дається опис створеного в МГІ НАН України CTD-вимірювача рівня моря, формулюються ви- моги до ідеального вимірника рівня вод і показується, що таким приладом може бути елек- тронна мірна рейка на базі розподілених термопрофілемірів Уолша. ABSTRACT Modern methods and means of measurement of sea and land water levels are analyzed. Description of CTD-sea level meter developed in MHI NAS of Ukraine is given. Requirements to ideal water level measuring instrument are formulated. It is shown that electronic sounding stick based on the distributed Wolsh thermoprofilemeters, can be such a device.

Технологии измерения уровня моря

Репозитарії

Схожі ресурси