15. Методы измерения толщины льда и снега

С берега

Толщина льда измеряется ледомерной рейкой, опускаемой в лунку строго вертикально, причем подкос рейки подводится под нижнюю поверхность льда. Первый отсчет производится по делению рейки, противостоящей верхней поверхности льда, а второй – на уровне воды в лунке, что позволяет определить глубину погружения льда. При наличии двухслойного льда общей толщиной льда является толщина обоих слоев льда. Толщина прослойки воды между двумя слоями указывается в примечаниях. По окончанию всех наблюдений определяется глубина моря. Высоту снежного покрова определяют с помощью переносной деревянной или металлической снегомерной рейки, которая строго вертикально ставится на льду с ненарушенным снежным покровом в трех-четырех местах в 3-5м с разных сторон от будущей лунки. По отсчетам со снегомерной рейки выводится средняя высота снежного покрова. Отсутствие снега в каком либо направлении не меняет способа осреднения.

С судна

Определение толщины льда и снега на нем на ходу судна можно проводить различными способам, простейший из которых основан на глазомерной оценке толщины льдин, становящихся зачастую на ребро у борта судна. При этом уплотненный и пропитанный водой снег не скатывается со льдин. Оценку толщины льда и снега на нем обычно производят по определению толщины не менее 10 льдин в достаточно сплоченном льду.

Измерения толщины иногда выполняют с помощью артиллерийского бинокля. На стекле которого нанесена сетка с ценой деления 0,01 расстояния от глаз наблюдателя до измеряемого предмета. Поэтому во время измерений необходимо знать высоту глаз наблюдателя от поверхности льда. Эти измерения можно выполнять также и с помощью рейки-выстрела длиной 80-100см с делениями через 10см, окрашенными попеременно в белый и черный цвет, рейка устанавливается под крыльями мостика на уровне верхней палубы. Находящийся над рейкой наблюдатель при прохождении под ним льдины, стоящей на ребре, снимает отсчет числа делений на рейке, соответствующего толщине льдины.

17.Гидродинамический метод основан на измерении давления, оказываемого потоком на находящееся в нем тело.

Наибольшее распространение среди датчиков гидродинамического типа нашли так называемые вертушечные. Здесь в качестве чувствительного элемента используются: ротор Савониуса, лопастной винт (пропеллер), крылатки, крест Робинсона, винт Архимеда, причем чаще всего первые два типа. Принцип их действия основан на создании набегающим потоком воды на чувствительном элементе гидродинамического момента, приводящего к его вращению. Скорость вращения датчика пропорциональна скорости потока, и наблюдается практически линейная зависимость между скоростью потока и числом оборотов датчика n, т.е. U=f(n).

Опыт практического использования различных типов датчиков скоростей течения с учетом возможных колебаний из-за турбулентных и волновых воздействий показал, что наилучшими свойствами для измерения характеристик течений обладают реверсивные датчики. Этот тип датчиков автоматически исключает компоненты скорости с периодами меньше, чем время экспозиции (время осреднения характеристик течения прибором). Нереверсивные датчики независимо от скорости и в некоторых случаях от направления потока вращаются только в одну сторону. Наиболее распространенными и наиболее простыми по конструкции реверсивными датчиками скорости являются различные виды пропеллеров. Из всех типов датчиков пропеллер и винт Архимеда обладают наименьшей инерционностью 0,5—10 с, начальная скорость их от 0,005 до 0,01 м/с и им необходимо ориентирование по потоку.

Ротор Савониуса и крест Робинсона обладают диаграммой: направленности, близкой к круговой, т.е. им не нужно ориентирование по потоку. Они обладают такой же начальной скоростью, что и пропеллеры, но до скорости 0,03 м/с имеют нелинейный начальный участок характеристики числа оборотов в зависимости от скорости потока. Ротор Савониуса, широко используемый в измерительных системах, подвержен биологическим обрастаниям и обладает заметным гистерезисом. При резком снижении скорости потока скорость вращения ротора уменьшается с большим запаздыванием, а при увеличении скорости показания ротора близки к изменению скорости потока.

Диапазон измерений скоростей течений датчиками вертушечного типа лежит в пределах 0,005—3 м/с. Погрешность измерений механическими вертушками определяется в основном качеством исполнения и в лучших образцах не превышает 5 %.

Основными рабочими характеристиками вертушек, являются:

- начальная скорость U₀- наименьшая скорость набегающего на вертушку потока, при которой начинает неравномерно вращаться ее лопастной винт;

- нижний предел применимости вертушек- скорость U_н.п. выше которой и рекомендуется использовать вертушки. При скоростях от U₀ до U_н.п. показания вертушек неустойчивы, поэтому погрешности измерений в этом пределе могут быть значительными (≥10%);

- критическая скорость U_к- скорость потока, выше которой влияние механических сопротивлений на число оборотов лопастного винта становится стабильным и незначительным, т.е. при U≥U_к dU/dn=const. В докритической области на показания вертушек существенно влияют износ подшипников, попадание твердых частиц в механизм прибора и т.п.;

- верхний предел использования вертушек- скорость U_в.п, выше которой не всегда можно рекомендовать применение вертушек. При исследовании функции U=f(n) в воздушном потоке оказалось, что при больших скоростях потока нарушается зависимость (1);

- инерционность вертушек- способность их лопастного винта изменять свою скорость вращения соответственно изменению скорости потока.

При измерении датчиками вертушечного типа сложной картины течений, возникающей из-за воздействия ветровых и внутренних волн, вихревых течений и турбулентности на стационарный поток, возникает значительная погрешность. Кроме того, методика измерений течений на АБС или с борта судна не позволяет фиксировать прибор в определенной точке пространства. Перемещения прибора на тросе с несущим буем и с судном датчик регистрирует как изменение скорости. Это приводит к появлению погрешностей, особенно проявляющихся при нахождении прибора в слое воды, в котором сказывается влияние ветрового волнения.

При измерении характеристик течения реверсивными датчиками (пропеллер, винт Архимеда) требуется их ориентирование по потоку, т.е. их ось вращения должна совпадать с генеральным направлением течения. Для достижения этой цели используется развитое хвостовое оперение, устанавливаемое на самом корпусе прибора, на котором неподвижно закреплен чувствительный элемент. Такая система используется в измерителях течения типа ВММ, БПВ, ДИСК, «Поток» и т.д.

В океанологической практике нашли широкое применение микровертушки с индуктивным или резистивным преобразователями выходного сигнала. Они обычно используются для измерения мгновенных скоростей потока и диапазоне 0,04-10м/с с погрешностью 2-5% и постоянной времени 0,01-0,2с. Вертушка с индуктивным преобразователем, характеризующимся сравнительно высокими стабильностью и чувствительностью, измеряет скорость в диапазоне 0,1-2м/с с погрешностью 3%. Диаметр лопастного винта у такой вертушки 10мм. Специальный цифровой преобразователь воспринимает импульсы, амплитуда которых пропорциональна скорости вращения ротора. Измеритель пульсации скорости потока с микровертушечным датчиком регистрирует среднюю скорость и ее медленные пульсации. Диапазон частот, охватываемый измерителем, находится в пределах 9-12,5Гц при скорости потока 1м/с и определяется постоянной времени самого датчика. Подобные измерители пульсаций скорости имеют линейную градуированную характеристику и отличаются конструктивной и структурной простотой, а также надежностью.