Зорі А.А., Коренєв В.Д., Хламов М.Г. Електронні системи вимірювання і контролю параметрів водних середовищ: Навчальний посібник. – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2002. – 352с. – с. 298-307

Глава 5

АВТОМАТИЗОВАНІ ІВС КОНТРОЛЮ ПАРАМЕТРІВ ВОДНИХ СЕРЕДОВИЩ

Під автоматизованою системою розуміється сукупність вимірю­вальних, обчислювальних і реєструючих засобів, об'єднаних у загальну структурну схему з заданими алгоритмами функціонування і працюючу під управлінням оператора-дослідника. Основними елементами системи є: вимірювальні канали з первинними вимірювальними перетворювачами, мікро-ЕОМ або спеціалізований обчислювальний пристрій, пристрої об­міну даними і інформаційні канали зв'язку, пристрої реєстрації, зберігання і відображення інформації.

Структура автоматизованої системи залежить від кількості елементів, їхніх взаємозв'язків і місця розташування. Елементи системи розрізняються формою подання інформації, швидкодією, конструкцією, логікою фун­кціонування, що представляє істотні труднощі при її створенні. Ця пробле­ма вирішується за допомогою інтерфейсів. Застосування мікропроцесорів в заглибній частині зондів поширює функціональні можливості системи, спрощує процедури градуювання, тестування, контролю працездатності і діагностування.

5.1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ГІДРОФІЗИЧНИХ

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Враховуючи багатопараметричний і мінливий характер фізичних процесів, що протікають в океані, сучасний гідрофізичний експеримент вимагає, як правило, комплексного підходу. На цей час на озброєнні океанологів знаходиться великий арсенал різноманітного виду виконання зондуючих, буксирувальних і автономних багатоканальних вимірювальних гідрофізичних систем. Залежно від параметрів, що вимірюються, розрізняють: гідрофізичні, гідрохімічні, гідробіологічні та інші зонди. За способами застосування системи діляться на вертикально-зондуючі, горизонтально-зондуючі і ті, що містяться на підводних апаратах, буях. Однак, в більшості своїй вони неодмінно оснащуються каналами вимірювання основних гідрофізичних параметрів — температури, питомої або відносної електричної провідності і гідростатичного тиску (глибини).

В останній час, у зв'язку у досягненнями в галузях тонкоплівкової, мікроконтактної, напівпровідникової технологій і розробкою відповідних вимірювальних перетворювачів, системи починають оснащуватися кана­лами вимірювання не тільки середніх значень параметрів, але і їх пульса­ційних значень. Таким чином, сучасні гідрофізичні системи здатні реєстру­вати розподіл середніх і пульсаційних значень температури, питомої елек­тричної провідності, за якими розраховуються солоність, щільність, швид­кість звуку у воді, в просторових масштабах тонкої структури і мік­роструктури.

Розглянемо ряд систем, що відбивають сучасний стан розвитку зондової океанографічної техніки. Вимірювання вертикальних розподілів температури, солоності і гідростатичного тиску виконуються за допомогою СТД-зондів, типовими представниками яких є зонди серії «Істок», розроблені в Морському гідрофізичному інституті НАН України [56, 59, 80, 246, 247].

Ці зонди являють собою СТД-системи, в яких солоність морської води, щільність і швидкість звуку розраховуються за даними вимірів пито­мої електричної провідності, температури і тиску. У процесі зондування виконується обробка первинних даних на ЦОМ, яка передбачає: контроль збоїв окремих відліків; обчислення температури, питомої електричної провідності і тиску за градуювальними характеристиками; корекцію теплової інерції термометра опору; інтерполяцію даних до одного моменту часу, фільтрування за заданим числом вимірів; інтерполяцію параметрів на стандартні горизонти (глибини).

Серед зарубіжних гідрологічних комплексів для зондування вертикальної структури вод одним із кращих є СТД-зонд MARK III фірми Ніл Браун [79, 173]. Із вітчизняних зондів на рівні кращих зарубіжних зразків СТД-систем знаходиться гідролого-оптико-хімічний зондуючий комплекс МГИ 4103 [248]. У табл. 5.1 наведені основні технічні дані найбільш розповсюджених систем.

Таблиця 5.1 — Основні технічні дані найбільш розповсюджених систем

Вимірювальна система	Параметр, що вимірюється	Діапазон вимірювання	Сумарна похибка вимірювання	Чутливість
«Істок-3»	Т Д	–2—+32 1,3—6,8 0—2000
«Істок-5»	Т Д	–2—+35 1,5—7,0 0—2000
МГИ МГИ 4103	Т 0 Д SV el El Bl	–2—+35 0,15—1,6 0—6000 1400—1600 0,04—0,5 1×103—2×109 0,5×102	±0,035 ±8×10–4 ±15 ±0,5 ±0,03emax	0,001 2,5—10–5 0,4 0,02 0,001 0,005Е 0,5
Mark-III (США)	Т Д	–2—+32 1—6,5 0—6500	5×10–3 5×10–4 0,5—6,5	5×10–4 1×10–4 0,05—0,1
«Гідрозонд ЦКБ Держкомгідро­лота»	Т Д	–2—+32 1,5—7,0 0—2000	±0,004 ±3×10–3 ±15	0,001 3×10–4 0,4
СТД-1000 (Японія)	Т Д	–2—+35 1,3—6,5 0—6000	10–2 10–3 0,5—6	10–3 10–4 0,05—0,1

Позначки: Т — температура води, °С;  і ₀ — питома і відносна електрична провідність в См/м і відносних одиницях відповідно; Д — глибина занурення, м; SV — швидкість розповсюдження звуку, м/с; e_l — спектральний показник ослаблення направленого світла, м^–1; Е_l — спектральна опроміненність, Втм^–3; В_l — спектральне біолюмініс­центне випромінення, Втм^–3.

Частота відліків за вимірювальними каналами в сучасних зондах досягає 30–50 за секунду. Це дозволяє при звичайно застосовуваних швидкостях вертикального зондування 0,5–1,0 м/с забезпечувати при відповідній швидкодії вимірювальних перетворювачів просторове роз­ділення елементів структури гідрофізичних полів до 1–2 см. Очевидно, що сучасні термосолезонди дозволяють добре оцінювати тонку структуру гідрофізичних полів аж до мікроструктури, що відіграє істотну роль для вивчення механізмів розшарованості і перемішування морських вод.

Основною перешкодою використання СТД-зондів для тонкострук­турних досліджень є «змазування» (як правило, на декілька метрів) даних через качку при вертикальних переміщеннях судна — носія зонда, який знаходиться з зондом у зв'язку через кабель-трос. Для усунення цього фак­тора зондуючі комплекси виконують у вигляді пристроїв вільнопадаючих [249], квазивільнопадаючих або ковзаючих за направляючим тросом.

При цьому квазивільнопадаючі зонди можуть бути або відривними (що втрачаються) від лінії зв'язку з бортовими приладами реєстрації інформації або тими, що повертаються на борт після виконання розрізу за допомогою легкого кабеля зв'язку з судном. Малогабаритні і малоканальні квазивільнопадаючі зонди, що втрачаються, достатньо розповсюджені в зарубіжній і вітчизняній океанологічній практиці. Існуючі зразки таких зондів забезпечують швидкість зондування від 2 до 4,5 м/с. Тонкий провід, що обривається в кінці зондування, служить для передачі даних на борт і для живлення зонда з борту.

Ці прилади на цей час через міркування здешевлення не мають перетворювача тиску і глибина в них визначається за часом з початку запуску, тому що швидкість падіння встановлюється практично постійною. Перетворювачі температури мають низьку чутливість (~0,01 °С), високу похибку вимірів (~0,2°С) і велику інерційність (~1 с). Просторове розділен­ня при вимірах за допомогою подібних зондів досягає декількох метрів за вертикаллю [231]. Принцип квазивільного падіння за наявності провідної лінії зв'язку використовується в конструкціях більш складних багатоканальних зондів (мікроструктурний зонд ОКБ океанологічної техніки АН СРСР, зонд «Баклан» Атлантичного відділення ІО АН СРСР).

На цей час створені малогабаритні зонди проміжного типу між обривними та квазивільнопадаючими, що вертаються на борт судна за допомогою легкой лінії зв'язку і що називаються спінінговими [250, 251]. У роботі [250] описаний спінінговий комплекс МІФІ. Вимірювальна система його розрахована на чотири канали і має вимірювальні перетворювачі глибини занурення, температури, електричної провідності і пульсацій швидкості. Первинна обробка інформації здійснюється за допомогою ЕОМ, для якої розроблені програми:

фільтрування з вибракуванням завад цифрового запису;

динамічна корекція результатів вимірів;

переклад інформативного параметру в значення фізичної величини;

визначення солоності і щільності морської води;

екстраполяція і інтерполяція рядів за заданими алгоритмами;

статистична обробка результатів вимірів.

Вимірювальна система зі спінінговим зондом була використана в 35-м рейсі НІС «Академік Курчатов» і забезпечила при швидкостях зондування до 1,5 м/с зняття профілів температури з розділенням за глибиною ±10 см і чутливість вимірів температурних флуктуацій 0,02 °С.

Слід відзначити, що для міжнародного океанологічного експе­рименту, що планувався на період 80-90-х років, спеціально розроблялися спінінгові зонди [252, 253], які повинні забезпечувати високе просторове розділення — до 1 см у вертикальній площині при швидкості зондування до 7 м/с і чутливість до параметрів Т ~ 0,003 °С; S ~ 0,003% при інерційності перетворювачів не більше від 1 мс.

Велика увага при створенні сучасних гідрофізичних систем приді­ляється питанням вимірювання характеристик гідродинамічного поля — від пульсаційних значень швидкості до визначення компонент осередненої течії і передусім вертикальних градієнтів, які визначають режими зсувної нестійкості стратифікованих за щільністю морських вод. Великий інтерес викликає застосування в зондуючих комплексах вимірників пульсаційних і середніх складових гідравлічного поля, оскільки в цьому випадку при спільному вимірюванні з термохалінними характеристиками з'являється можливість розчиняти в ході прямих вимірів in situ причинно-наслідкові зв'язки у різноманітності структуроутворюючих процесів в океані — виявляти область активної і реліктової турбулентності, області нестійкості, що породжуються внутрішніми хвилями або дифузійними процесами, виявляти стадії еволюції тонкоструктурного розшарування і таке інше.

Високі експлуатаційні якості для вимірювання пульсацій швидкості і зсувної швидкості мають п’єзокерамічні перетворювачі. Застосування таких вимірювальних перетворювачів у вільнопадаючій зондуючій системі [249] дозволяє одержувати просторове розділення за вертикаллю двох горизонтальних складових швидкості в межах 1–40 см. Отримання таким чином зсувних компонент дозволяє в свою чергу оцінювати рівень пульсацій швидкості через параметр дисипації:

, (5.1)

де U, V — горизонтальні компоненти швидкості; Z — вертикальна координата і n — кінематична в'язкість. Формула дійсна для ізотропної турбулентності, тому коефіцієнт 7,5 не буде коректним для неізотропної турбулентності, однак похибка в цьому випадку, як вважають [249], не буде перевищувати 50%.

Зіставлення швидкістних і температурних розрізів дасть можливість класифікувати тонкоструктурне розшарування вод океану на турбулентні і нетурбулентні області, що надзвичайно важливо для оцінки термодинамічного стану вод і вивчення механізмів структуроутворення. З появою зондуючих комплексів, здійснюючих вимірювання термохалінних і динамічних характеристик середовища, стає можливим в процесі експерименту (в реальному часі) водночас визначати розподіл в шарах таких узагальнених параметрів середовища, як частоту Вайсяля-Брента, число Річардсона, число Кокса, параметри активності турбулентності, запропоновані Гібсоном, та інші. Можливості застосування сучасних зондів для вивчення турбулентності розглянуті у роботі [254].

Подібно зондуючим системам для вивчення вертикальної структури гідрофізичних полів розвиваються інформаційно-вимірювальні системи для дослідження горизонтальної мінливості полів океану. Хоча в завданнях дослідження тонкої структури горизонтальних полів вимоги до просторово­го розділення істотно менші (на основі відомих оцінок співвідношення ра­діусів кореляції вертикальних і горизонтальних неоднорідностей в страти­фікованому за щільністю океані 1:100 або 1:1000), разом із тим, завдання вивчення квазіізотропної турбулентності в масштабах мікроструктури змушують вимагати для вимірників горизонтальної структури такого просторового розділення, як і для вертикальної структури (~1–10 см).

Для вивчення горизонтальної мінливості гідрофізичних полів розробляються різноманітні контрольовані і неконтрольовані комплекси, пристрої, що буксируються за судном. Є системи на підводних апаратах і на підводних човнах. Великий досвід розробки і застосування комплексів, що буксируються, є в вітчизняній практиці. Зусиллями ОКБ океанологічної техніки Інституту океанології і СКТБ МГІ НАН України на цей час створений цілий ряд комплексів різноманітного призначення.

Зразок однієї з сучасних систем — гідролого-оптичний комплекс   МГІ 9201, що буксується, [255] має блок вимірників термохалінних характеристик з параметрами, аналогічними наведеним у табл. 5.1  (МГІ 4103), крім того, містить перетворювачі спектрального показника ослаблення направленого світла й інтенсивності флюоресцентного випромінення хлорофілу. Вимірювання комплексом здійснюються до глибин: при швидкості буксирування до 16 вузлів — 80 м; при швидкості 12 вузлів — 200 м.

У роботі [256] описаний комплекс на тілі, що буксується. Він має вимірники середніх і пульсаційних характеристик основних гідрофізичних параметрів середовища (температури, питомої електричної провідності, швидкості), розміщені на плануючому буксирі «Пейсис» [257]. Перші роботи по дослідженню тонкоструктурних процесів і турбулентності з під­водного човна були початі Грантом та ін. [258], які в 1968 г. створили досить ефективну для того часу апаратуру.

В Канадському океанографічному центрі створений унікальний багатоканальний комплекс, який задовольняє сучасні вимоги, розміщений на підводному човні «Дельфін» [259–261]. У роботі [262] приводиться оригінальна методика для класифікації режимів тонкоструктурної актив­ності на основі вимірів за допомогою комплексів, що містяться на рухомих носіях.

Таким чином, проведений огляд свідчить про те, що розроблені до цього часу інформаційно-вимірювальні системи здатні ефективно вирішу­вати окремі, приватні завдання океанології. Однак практика сучасних океанологічних досліджень вимагає комплексного підходу до вивчення механізмів генерації тонкоструктурних неоднорідностей океану, що на цей час досягається шляхом широкого застосування в зондуючих системах мікропроцесорної техніки, потужних ПЕОМ і засобів автоматизації.