41. Експедиційні вимірювання температури і солоності води.

Гидрологические и гидрохимические наблюдения:

На переходах:

— океанографические станции по программе О Г С О С (температураи соленость воды) проводятся дважды в сутки в 00 и 12 ч|(ГМТ) до глубины 500 м на стандартных горизонтах (0, 10, 20, 30,50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 м);

— при следовании в точку работ, на переходах в порты и привозвращении на стандартных разрезах выполняются океанографическиестанции. Работы ведутся на стандартных горизонтах (0, 10,20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200,1500, 2000, 3000, 4000 м) до глубин, определенных стандартнойпрограммой по данному району. Расстояния между станциямигакже определяются программой.

П р и м е ч а н и е . Предпочтительнее вести многосерийные наблюдения в терние12 ч через 2 или 3 ч, с расстоянием между станциями 400—500 км;

— наблюдения за вертикальным распределением температурыюды и слоя скачка (с помощью батитермографов или других зондов)выполняются в синоптические сроки (00, Об, 12, 18 ч (ГМТ)фограмма «Бати») и на каждой океанографической станции;

— наблюдения за прозрачностью и цветом морской воды выполняютсяна каждой океанографической станции в светлое время суток и при волнении не более 4 баллов;

— наблюдения за распределением в воде кислорода и гидрохимическихэлементов, а также за загрязнениями океана, ведутсясогласно стандартной программе, утвержденной для данногорайона;

— особо опасные гидрологические явления (О ОЯ ).

В районе основной работы:

— наблюдения на многосуточной океанографической станцииза температурой и соленостью выполняются на стандартных горизонтах(см. выше) до глубин, установленных программой по данномурайону. Гидрологические серии выполняются 4 раза в сутки(в синоптические сроки);

— наблюдения за распределением температуры и слоем скачка(с помощью батитермографа или другого зонда) проводятся 8 разв сутки в синоптические сроки;

— наблюдения за распределением в воде кислорода и гидрохимическимиэлементами ведутся согласно стандартной программедля данного района;

— наблюдения за прозрачностью и цветом воды ведутся в синоптическиесроки в светлое время суток;

— выполняется постановка одной-трех буйковых заякоренныхстанций. Расположение станций, расстояния между ними, количествои горизонты измерительных приборов определяются стандартнойпрограммой данного района;

— наблюдения за течениями навигационным способом выполняются4 раза в сутки в синоптические сроки (00, 06, 12 и 18 чГМТ).

Информация по океанографическим наблюдениям (кодамиКН-05 и КН-06) ведется согласно действующему положению.

В настоящее время при проведении океанографических работ в морских экспедициях основным измерительным средством яв­ляются СTD-зонды. В состав таких комплексов, независимо от их специализации, в обязательном порядке включены три изме­рителя: электропроводности (солености), температуры и давления/глубины. Технические и метрологические характеристики именно этих из­мерителей обеспечивают точность и достоверность определения основных параметров морской воды в разных районах Мирового океана.

По эксплуатационным качествам все CTD-зонды можно раз­делить на две группы: зонды, работающие на кабель-тросе, и ав­тономные зонды, для использования которых достаточно обыч­ного троса. В то же время, в обеих группах могут быть зонды различных метрологических качеств и, соответственно, имеющих разный уровень сложности.

Анализ характеристик современных зондов и измеряемых ими параметров позволяет классифицировать зонды по четырем уровням точности. Одновременно эти уровни имеют соответст­вующие степени конструктивной сложности базового прибора и вариантов комплектации, а также предполагают разные ценовые пределы как для собственно аппаратуры, так и для стоимости ее эксплуатации. Предлагается следующая классификация:

1-й класс - это высший уровень, который предполагает изме­рения любого масштаба, вплоть до работ по международным программам. Де-факто, критерием высокого метрологического качества СТР-зондов является их соответствие выполнению за­дач программы WОСЕ. Как правило, такие зонды являются осно­вой судового зондирующего комплекса, который устанавливается в качестве штатного оборудования на всех крупных научно-исследовательских судах. В связи с тем, что одной из важнейших составляющих такого комплекса является батометрическая кассета, CTD-зонд должен быть обязательно кабельным и передавать информацию в масштабе реального времени. CTD-зонды 1-го класса имеют наивысшую степень сложности и, соответственно, отличаются высокой ценой. Для их эксплуатации на зарубежных судах существуют специальные группы технических специали­стов, а их калибровка проводится наиболее часто, причем только в сертифицированных береговых центрах.

2-й класс — это средний уровень, не требующий наивысших метрологических характеристик от CTD-зондов, но он должен позволять проводить полигонные съемки с использованием данных при изучении мезомасштабных и, частично, мелкомасштаб­ных процессов. Как правило, зонды этого класса значительно проще и дешевле зондов высшего уровня. Однако иногда, при тщательной калибровке, эти зонды допускается к использованию на научных судах в качестве основных, или могут быть их дублерами. Отдельные модели CTD-зондов 2-го класса могут комплек­товаться дополнительными датчиками и даже батометрическими кассетами. Для работы с этим оборудованием обычно не требует­ся многочисленный персонал и, в зависимости от комплектации, достаточно 1-2 человек. Большинство зондов 2-го класса могут работать как в кабельном варианте, так и в автономном. В связи с этим обстоятельством, такие зонды часто используются на судах, не оборудованных кабель-тросовыми лебедками, но привлекае­мых для ведения исследований среднего уровня.

3-й класс, или минимальный уровень прикладных задач (на­пример, в промысловых исследованиях) где для CTD-зондов требу­ется поиск промысловых скоплений по изотермам, а также обеспечения работы гидроакустических средств (оценка реальной скорости звука). CTD-зонды этого класса также используются для оценки сезонных, синоптических и частично мсзомасштабных процессов. Обычно эти зонды являются законченным изде­лием и не комплектуются дополнительными датчиками или дру­гим оборудованием. Зонды имеют относительно малую стои­мость и могут эксплуатироваться персоналом без специальной квалификации. Как правило, такие зонды являются автономными и могут использоваться на необорудованных судах.

4-й класс, или ненормированный уровень, включает зонды, предназначенные для вспомогательных задач, связанных с оце­ночными измерениями. Как правило, эти зонды имеют в наборе еще несколько датчиков и представляют собой легкое погружае­мое устройство, связанное с цифропоказывающим БУ много­жильным кабелем длиной 30 - 200 м, намотанным на ручную вьюшку. Иногда такие зонды имеют варианты с памятью и авто­номным питанием. Эти приборы полностью автономны, могутиспользоваться с легких плавсредств и являются своеобразными тестерами качества воды.

В таблице приводятся требования к основным характеристи­кам зондов в соответствии с их классом и масштабом исследуе­мых процессов. Эти требования включают только оценки воз­можных систематических и случайных погрешностей CTDизмерения основных параметров морской воды. Они не распро­страняются на возможные пределы динамических погрешностей измерения CTD-параметров, которые могут превосходить на один - два порядка значения, указанные в таблице.

Таблица - Требованияк основным характеристикамзондов

Погрешность измерений			Макс, глубина погр., м
Температура, °С	Электропроводность, мСм-см"	Давление, дцб
0,002	Требования 0,001-0,003	WOCE 3	6000
0,002-0,005	1-й класс 0,002-0,005	(высший уровень) 0,42-1 ,5	3000
0,005-0,01	2-й класс 0,005-0,01	(средний уровень) 1-2	2000
0,01-0,05	3-й класс 0,01-0,04	(минимальный 1-3	уровень) 1000
0,1-0,2	4-й класс 0,5-1,0% от ПШ	(ненормированный 3	уровень) 30-200

Следует отметить, что приведенные требования не являются официальным стандартом, а сложились на данный период из практики экспедиционных исследований и могут со временем измениться. Иногда при очередной модернизации зонда, он на­чинает соответствовать по своим параметрам требованиям уже более высокого класса.

Автоматические измерительные комплексы

9.1 Гидрологический комплекс "Гидрозонд"

Гидрологический комплекс «Гидрозонд» предназначен для автоматического измерения и регистрации распределения температуры и электропроводности морской воды по глубине, а также для автоматического отбора проб воды батометрами на стандартных горизонтах или по желанию оператора на любой глубине.

Как и все судовые погружаемые гидрозонды «Гидрозонд» состоит из устройства, которое непосредственно погружается, ПЭВМ, бортовой аппаратуры, которая принимает и регистрирует информацию, и кабельной линии связи. Принцип работы основан на поочередном подключении датчиков измерительной части устройства, которое опускается за борт, к блокам преобразования сигналов в кодовую информацию, передаче данных по кабелю связи и последовательной регистрации декодированных сигналов в бортовой аппаратуре.

Опускаемое устройство представляет собой герметически закрытый металлический цилиндрический контейнер, внутри которого находится измерительный блок, блок управления и блок передачи информации. В этих блоках происходит: а) прием напряжения с борта судна и формирование необходимых напряжений для обеспечения всех потребителей; б) прием командных сигналов от бортовой аппаратуры и распределение их по каналам связи; в) синхронизация работы измерительной и передающей систем; г) преобразование сигналов датчиков в двоичный код; д) передача импульсов информации в бортовую аппаратуру. Для охраны контейнера от случайных повреждений он защищен извне специальным ограждением.

В качестве первичного измерителя температуры воды используется платиновый термометр сопротивления ТСП-365, устанавливаемый на внешней боковой поверхности герметичного корпуса, перпендикулярно к направлению зондирования. Для измерения гидростатического давления служат три потенциометрических датчиков давления типа ДТ, которые позволяют проводить измерения всех параметров на глубинах от 0 до 6000 метров.

Электрическая проводимость морской воды измеряется с помощью индуктивного первичного преобразователя, который состоит из двух тороидальных катушек, индуктивно связанных между собой через морскую воду. Первичный преобразователь установлен снаружи герметичного корпуса опускного устройства таким образом, чтобы отверстие датчика совпадало с направлением зондирования.

Для отбора проб морской воды на контейнер одевается съемная металлическая конструкция с батометрической секцией. В секции закреплены 24 батометра типа БМ-48 и механизм управления батометрами. При поступлении команды с борта судна, механизм управления осуществляет последовательное срабатывание батометров.

Бортовая аппаратура предназначена для: а) формирование команд управления опускаемого устройства; б) приема информации; в) превращение ее в код, удобный для регистрации; г) регистрации полученной информации. Бортовое устройство состоит из приборного шкафа с блоками питания, управления, обработки и преобразования информации, пульта управления с элементами управления и индикации, внешнего табло и регистрирующей аппаратуры, которая содержит в себе телетайп, потенциометр автоматический КСП-4 и потенциометр двухкоординатный самопишущий ПДП-4.

Управление и задание режима зондирования осуществляется с пульта управления. На этот пульт выведены цифровые показания значений температуры, давления, электропроводности и номер батометра, который срабатывает. Параллельно эти данные передаются на внешнее табло, расположенное на палубе возле оператора, который управляет работой гидрологической лебедки.

±0.03°С

0-39%о ±0.02%о

Основные технические характеристики прибора.

Диапазон измерения температуры: -2 - +32 -2 -2 - +32°С

Погрешность

Диапазон измерения солености

Погрешность

Диапазон измерения глубин

1. датчик 0 - 380 м Погрешность ±4 м

2. датчик 380 - 1920 м Погрешность ±20м

3. датчик 1920 - 6000 м Погрешность ±60 м

Питание 220 в

Размеры 736x 601 мм

Вес погружаемого контейнера 63 кг

Автономный измерительный комплекс АЦИТТ

Автономный измерительный комплекс АЦВТТ (Автономный цифровой измеритель температуры и течений) предназначен для измерения и регистрации направления и скорости течения, температуры, электропроводности и гидростатического давления на глубинах до 6000 метров. АЦИТТ может работать в двух режимах:

1. Автономный режим. При этом измеритель неподвижен относительно дна моря. Последовательность измерения параметров такова:

- контрольный параметр, который устанавливает исправность прибора;

- температура воды;

- электропроводность воды;

- первый компонент скорости течения;

- второй компонент скорости течения;

- угол отклонения оси измерителя от вертикали;

- угол ориентации прибора относительно магнитного меридиана;

- гидростатическое давление.

2. Режим зондирования. При этом режиме измеряются такие параметры:

- контрольный параметр;

- температура воды;

- электропроводность;

- гидростатическое давление.

Другие параметры измерить при зондировании невозможно, потому что прибор движется.

Все параметры измеряются последовательно, продолжительность полного цикла измерений 25 с. Время передачи результатов измерения в режиме «Автоном» по гидроакустическому каналу связи составляет 2,4 с, а в режиме «Зонд» - 0.96 с. Дискретность измерений в автономном режиме - 5,10, 15, 30 и 60 минут, в режиме зондирования - 30 с. Первые 30 минут АЦВТТ' может работать в дополнительных режимах - автономном с дискретностью 30 секунд и зондирования с дискретностью 2 секунды. При дискретности измерений 1 час, продолжительность автономной работы прибора составляет 1 год.

Для контроля правильности работы измерительного комплекса в рабочем положении и для оперативного получения данных измерений предусмотрен вертикально ориентированный гидроакустический канал передачи информации. Дальность действия акустического канала связи - 2000 метров.

Конструктивно прибор выполнен в виде цилиндра общей высотой 1200 мм и диаметром 220 мм, в верхней и нижней частях которого есть защитное решетчатое ограждение. Датчики температуры, электропроводности и глубины погружения расположены на верхней крышке прибора, а датчик течения - под нижней крышкой прибора.

Датчиком температуры воды является тонкий платиновый провод с сопротивлением 500 Ом при 0°С, который вместе с опорным сопротивлением образует потенциометрическую схему. Она помещена в медный герметичный защитный цилиндр и в таком виде имеет постоянную времени 3 с. Для использования датчика в автономном режиме, на него одевается дополнительный кожух, в зависимости от конструкции которого показатель инерции может изменятся в пределах от 30 с до 30 мин.

Датчик электропроводности представляет собой конструкцию из двух тороидальных трансформаторов с ферритовыми сердечниками, заключенными в общую изоляционную оболочку с центральным отверстием. При погружении датчика в воду образуется замкнутый виток воды, который охватывает сердечники обеих трансформаторов. При подключении питания к первому трансформатору во втором индуцируется напряжение, пропорциональное электропроводности воды.

Двухкомпонентный датчик скорости течения образован двумя взаимно перпендикулярными пропеллерными вертушками с горизонтальной осью вращения. Вращение вертушек через две магнитные муфты передается внутрь корпуса прибора на потенциометрические преобразователи, в которых происходит преобразование числа оборотов вертушки в электрическое напряжение. Осреднение скорости течения проводится непрерывно за весь период между циклами измерений. Скорость течения вычисляется векторным методом по измеренным взаимоперпендикулярным составляющим.

Двухкомпонентный способ измерения течений предполагает, что угловая ориентация прибора относительно осей географических координат известна. Это угловое положение прибора измеряется магнитным компасом, который обладает интегрирующими свойствами. Магнитный компас состоит из свободно плавающей магнитной картушки, угловое положение которой превращается в электрический сигнал с помощью жидкостного электрического преобразователя. Компас может работать при углах наклона корпуса прибора до 15°. В случае отклонения оси прибора более 15°, к показаниям датчика скорости течения вводится поправка, значение которой определяет угломерный датчик отклонения корпуса прибора от вертикали в плоскости наклона троса.

Информация об измеренных параметрах регистрируется на магнитную ленту которая находится в опускаемом устройстве. Магнитная лента типа МК-60 обеспечивает 5000 циклов измерений, а кассета типа МК-120 - 10000 циклов. Обработка данных наблюдений, записанных на кассете ведется с помощью специального бортового устройства обработки данных (УОД). Питание измерителя осуществляется от батарейного источника с напряжением 9 в, собранного из 12 батареек типа 373, заключенных в съемную герметичную кассету. Разрядный ток батареи составляет 0.5 А.

Крепится измеритель к тросу, толщиной не более 9 мм с помощью специального кронштейна с регулируемым углом подвески. Угол подвески устанавливается таким, чтобы отклонение оси прибора от вертикали сохранялось в пределах +15°.

Основные технические характеристики:

Диапазон измерения температуры от -2 +38°С

электропроводности от 0 до 7 См/м

солености от 0 до 42%о

скорости течения от 3 до 200 см/с

направления течения от 0 до 360°

Глубина погружения 0 - 6000 м

Угол отклонения прибора от вертикали 0-30°

Предельная погрешность измерений температуры ±0.05

Электропроводности ±5-104 См/м

солености ±0.03%о

скорости течения ±(3+0.05V)см/с

направления течения ±10°

глубины погружения ±(1+1 %Н)м

угол отклонения от вертикали ± 1 °

Размеры 1200x 220 мм Масса 40 кг

Наиболее широкое применение в качестве датчиков для изме­рения температуры морской воды получили металлические тер­мометры сопротивления, термисторы (полупроводниковые тер­мометры сопротивления) и кварцевые резонаторы.

Термометры сопротивления. Принцип действия первых двух типов основан на зависимости электрического сопротивления чувствительных элементов датчи­ков от температуры среды. В соответствии с тем, возрастает или понижается величина электрического сопротивления при повы­шении температуры, датчики могут быть с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_R. Металлические датчики имеют только положительный α_R. Термисторы могут обладать как положительным, так и отрица­тельным α_R.

Величина температурного коэффициента сопротивления α_R(°С^-1), иногда называемая также чувствительностью датчика, оп­ределяется как относительное приращение электрического со­противления материала чувствительного элемента при изменении его температуры на единицу:

(1)

Для большинства металлов в интервале температур 0 - 100°С α_R из­меняется в пределах (3,3 - 6,2)∙10^-3 °C^-1.

где R - сопротивление материала при температуре Т.

Основными параметрами, характеризующими качество темпе­ратурных датчиков для океанологической аппаратуры, являются: долговременная стабильность, чувствительность, линейность и быстродействие (инерционность).

Наилучшие метрологические характеристики имеют металли­ческие термометры сопротивления и кварцевые резонаторы. Первые являются основным типом, применяемым в составе практи­чески всех распространенных СTD-зондов. Кварцевые резонато­ры, в связи с худшим быстродействием, используются для калиб­ровочной аппаратуры и долгопериодных измерений (буи и бук­сируемая аппаратура).

Термисторы имеют высокое быстродействие, потребляют ма­лую мощность (ток возбуждения, как правило, не превышает 100 мкА), обладают невысокой стоимостью, технологией, при­годной для массового изготовления, но из-за большой нелинейности статической характеристики преобразования, как правило, применяются в упрощенной портативной аппаратуре или для специальных исследований, а также в качестве вторичных и ком­пенсирующих датчиков.

Сравнительные характеристики типов термодатчиков приве­дены в таблице.

Таблица. Сравнительные характеристики типов термодатчиков

Параметр	Типы датчиков
	термометр сопротивления	термистор	кварцевый резонатор
Стабильность Чувствительность Нелинейность, % Инерционность, с	0,1%/5лет 0,2-10Ом/°С 0,55 1-0,2	0,1-2,5 °С/год 0,1-1 кОм/°С 5-20 0,025	0,01 °С/мес. 1000 Гц/°С <0,05 3-10

Представленные в таблице оценки относятся к диапазону из­мерения температуры от -5 до 40 °С.

Металлические термометры сопротивления. Для изготовления океанологических датчиков температуры на основе термометров сопротивления в основном используется платина, никель или медь. Электрическое сопротивление чувст­вительных элементов изменяется согласно уравнению:

R_T=R₀∙[1+ α_R∙(T-T₀)], (2)

где R₀ - сопротивление при О°С (т.е. при 273°К); К_Т - сопротив­ление при температуре T; α_R - температурный коэффициент со­противления.

В обозначениях датчиков некоторых зарубежных фирм или в технической документации на измерительную аппаратуру неред­ко указывают только материал, используемый для чувствитель­ного элемента датчика, а также его сопротивление в Ом при О °С. Например, Р1-100 - для платины или N1-100 - для никеля. Сопро­тивление, равное 100 Ом, используется для датчиков наиболее часто, однако употребляются также стандартно изготавливаемые сопротивления в 500 Ом и 1 кОм. По технологии изготовленияметаллические термометры сопротивления подразделяются на проволочные и пленочные.

Проволочные термометры сопротивления, используемые в океанологической технике, как правило, выполняются в виде об­моток, выполненных сдвоенным проводом в виде бифилярной намотки на керамических или стеклянных каркасах. Материал каркаса должен иметь характеристики теплового расширения, по возможности, приближающиеся к характеристикам проволоки, Иногда обмотку выполняют в виде петлевых бескаркасных жгу-тиков. Оба вида обмоток защищают от гидростатического давле­ния прочными корпусами, а если обмотки не защищены, то их изолируют от воды. Незащищенные датчики обладают лучшим быстродействием, но они подвержены влиянию давления на чувствительный элемент - проявляется так называемый "тензоэффект".

В защищенных датчиках для усиления теплового контакта с окружающей датчик водой и для повышения быстродействия прочный корпус иногда заполняется трансформаторным или си­ликоновым маслом. Для ликвидации тензоэффекта, возникающего вследствие передачи внешнего давления непосредственно на чувствительный элемент, внутри прочного корпуса оставляется небольшой пузырек воздуха. Быстродействие подобного датчика доставляет 0,8 - 0,4 с. Использование специальной пасты, полу­чаемой путем добавления в масло в качестве наполнителя окисей металлов (например, магния) с высокими электроизоляционными И теплопроводными свойствами, приводит к улучшению быстро-действия до величин 0,4 - 0,2 с.

Незащищенные датчики в связи с низкой стойкостью изоли­рующего покрытия к действию морской воды наиболее распро­странены в конструкциях некоторых зондов разового действия (обрывных). Термочувствительная обмотка из изолированной проволоки укладывается в спиральную канавку на внешней поверхности тяжелой головной части зонда и, имея непосредствен­ный тепловой контакт со встречным потоком воды, обладает дос­таточно высоким быстродействием.

Наиболее высокое быстродействие от металлических датчиков можно получить, если использовать тонкопленочную техноло­гию. Например, на керамическую или кварцевую подложку тол­щиной 0,6 мм методом катодного высокочастотного распыления наносится слой платины толщиной около 2 мкм. Затем напылен­ный слой частично выжигается лазером так, чтобы осталась токопроводящая дорожка в виде меандра. Одновременно с выжига­нием проводится подгонка по величине сопротивления. Контакт­ные выводы изготавливают методом термокомпрессионной свар­ки, а для защиты активного платинового слоя от повреждений его еще раз покрывают керамическим изолирующим слоем толщи­ной 10 мкм. Постоянная времени таких пленочных датчиков мо­жет достигать значений порядка 10 ^-7 с.

Наилучшей долговременной стабильностью и воспроизводи­мостью характеристик обладают термометры сопротивления, из­готовленные из платины высшей очистки. Нелинейность статиче­ской характеристики платиновых термометров сопротивления не превышает 0,55% в диапазоне температуры от -2 до 30°С. Чув­ствительность платинового термометра сопротивления составля­ет примерно 0,392 %/°С. Кстати, высокой оценкой метрологиче­ских характеристик платинового датчика может служить тот факт, что именно платиновый термометр сопротивления принят в качестве эталонного прибора для воспроизведения Международ­ной практической температурной шкалы. К недостаткам плати­новых термометров можно отнести только их высокую стои­мость.

В отечественной аппаратуре наиболее широко используется датчик ТСП-365-01, ранее выпускаемый согласно ТУ-25-02-792248-80 НПО "Термоприбор" (СССР), а теперь НПО "Термо-прылад" (Украина), который позволяет измерять температуру морской воды в диапазоне от -5 до 40 °С до глубины в 6 000 м. Чувствительный элемент датчика имеет сопротивление при 0°С около 100 Ом и постоянную времени около 0,5 с. Общая длина датчика - 143 мм.

Лучшие медные термометры сопротивления уступают плати­новым по показателю долговременной стабильности примерно в дна раза, а также имеют большую длину чувствительного элемен­та при равном диаметре провода и одинаковом начальном сопро­тивлении. Длинная проволока затрудняет технологию сборки, повышает параметры реактивных составляющих сопротивления (для ликвидации этого эффекта используют бифилярную намот­ку), увеличивает показатель тепловой инерции чувствительного элемента.

Рис. Внешний вид платинового термометра сопротивления

Однако, в отличие от платины, для меди упрощается подгонка номинального сопротивления чувствительного элемента и уменьшается влияние находящихся при другой температуре вы­водных концов, так как их вклад в общее сопротивление датчика сравнительно небольшой. Что касается линейности, то исследо­вания, выполненные в МГИ АН УССР, позволили установить, что погрешность измерения температуры, связанная с нелиней­ностью медного термометра, находится на пределе точности ме­тода ее определения и не превышает ±0,01°С в диапазоне темпе­ратур от -2 до 35°С. Чувствительность медного термометра со­противления составляет примерно 0,426 %/°С. Медный датчик

ПТР-50, изготавливаемый ранее малой серией в СКБ МГИ АН УССР и имевший наибольшее распространение в отечественной океанологической аппаратуре, имеет сопротивление 100+0,1 Ом при О°С, показатель тепловой инерции 0,2, максимальная глуби­на 6 000 м.

Никелевые термометры сопротивления имеют высокую чувст­вительность, составляющую примерно 0,539 %/⁰С, что выше, чем у платиновых и медных термометров, по удельному сопро­тивлению они тоже превосходят последние. Однако технология получения никелевого провода высокой чистоты отличается по­вышенной сложностью и дорога. Применяемые же никелевые преобразователи температуры из обычно используемой проволо­ки уступают по долговременной стабильности платиновым и медным. Поэтому, никелевые датчики широкого распространения в океанологической технике не получили.

К недостаткам металлических термометров сопротивления можно отнести малую крутизну преобразования, обусловленную сравнительно малой величиной α_Rдля металлов (порядка 10^-3°С^-1) и малым собственным сопротивлением, что усложняет передачу информации от датчика на измерительные схемы.

Термисторы.Полупроводниковые термометры сопротивления, или термисторы, обладают более высокой величиной температурного ко­эффициента сопротивления α_R (до 6-8% на 1°С) по сравнению с металлическими термометрами сопротивления, т.е. более высо­кой крутизной преобразования и большим удельным сопротивле­нием. В связи с малыми конструктивными размерами термисторов, их постоянная времени может составлять не более 0,02 * 0,05 с.

Термисторы с отрицательным а« состоят из поликристалличе­ской смеси различных спеченных оксидов, например Fе₂О₃ (шпи­нель), Zn₂ТiО₄, МgСг₂О₄, ТiO₂ или NiO и СоО с LiO. Процесс спекания осуществляется при 1000 - 1400°С. Затем изготовля­ют контакты путем вжигания серебряной пасты. Для обеспечения высокой стабильности сопротивления, прежде всего при дли­тельных измерениях, терморезисторы после спекания подвергаютискусственному старению. С помощью специальных режи­мов обработки достигается высокая стабильность сопротивления. Такие термисторы широко применяются в океанологических измерителях.

Использование кремниевых термисторов, имеющих положи­тельный температурный коэффициент сопротивления α_R, пред­ставляет интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент.

Термисторы обладают значительной нелинейно­стью своих характеристик. Существенным недостатком кремние­вых датчиков также является меньший диапазон измеряемых температур. Однако для некоторых областей эти недостатки имеют второстепенное значение, тем более, что сейчас разрабо­тано достаточно вариантов специальных линеаризирующих схем. Миниатюрность и высокая чувствительность тсрмисторов позво­ляет отдать им предпочтение для применения в качестве датчи­ков температуры в портативной аппаратуре, обрывных зондах и термокосах, а малая постоянная времени и высокое разрешение (до 5-10^-4°С) делает их привлекательными для исследования тон­ких структур распределения температуры с малыми градиентами.

Кварцевые датчики температуры. Кварцевые резонаторы, используемые в датчиках температу­ры, характеризуются высокой стабильностью параметров - мак­симальный дрейф после начального периода старения кристалла имеет значение порядка 10 ^-3 °К в месяц. Также они обладают вы­соким разрешением (10^-4 - 10^-6 °К) и абсолютной погрешностью в рабочем диапазоне температур до 0,02°С. Конструкция датчиков позволяет их эксплуатировать при ударах и вибрациях. Другим немаловажным достоинством является то, что сам кварц может быть использован непосредственно в качестве частотно-задающего элемента в системах телеизмерений с частотной модуляцией.

В термочувствительных измерительных преобразователях обычно используют два кварцевых генератора. В одном из них применяется термочувствительный кварцевый элемент, а в дру­гом (опорном) - термостабилизированный. Выходным сигналом является разностная частота с обоих генераторов, получаемая на

выходе смесителя. Как правило, в генераторах используются час­тоты в диапазоне 2 - 15 МГц.

Высокая линейность является характерной особенностью кварцевых первичных преобразователей температуры. Так как изменение частоты происходит без изменения крутизны характе­ристики преобразования, то можно производить поверку измери­телей на основе кварцевых резонаторов только по тройной точке воды (Т = 0,01°С), а не по всей шкале температур. При определе­нии режима работы кварцевого датчика следует правильно учи­тывать допустимую мощность рассеивания, так как перегрев кри­сталла может привести к погрешности в 0,001 - 0,003 °С.

Для реализации высоких метрологических качеств кварцевых преобразователей необходимо, чтобы их добротность как резо­наторов была порядка 10^б- 10⁸. Получить столь высокие значе­ния можно лишь в том случае, когда кварц находится в газовой среде или вообще вакуумирован, что требует заключения его в герметичный корпус, а также крепления специальными пружи­нящими контактами, обеспечивающими минимум механических напряжений на кристалле. Такие требования к конструкции пре­образователя обуславливают значительное ослабление теплооб­мена кварца со средой, особенно при измерениях в водной среде, что, в свою очередь, вызывает возрастание инерционности квар­цевого преобразователя до величин порядка 5 - 10 с.

Как правило, кварцевые резонаторы для океанологических датчиков размещают в герметических металлических корпусах, подобных тем, которые используют для транзисторов. Благодаря применению резонаторов малых размеров и специальной конфи­гурации (например, в виде линзы), заполнению герметичного корпуса газом, обладающим высокой теплопроводностью - гели­ем или ксеноном, и другим мерам, удалось понизить постоянную примени кварцевых датчиков до приемлемых значений, позво­ляющих использовать их в буксируемых устройствах. Разумный компромисс между добротностью кварцевого резонатора и его быстродействием достигнут в конструкции, где кварцевая пла­стина зажата с двух сторон электродами, причем один из них яв­ляется одновременно крышкой герметичного корпуса. Несмотря ил то, что в такой конструкции добротность уменьшилась до величины порядка 3∙10⁴, существенно улучшился тепловой обмен резонатора с водной средой, осуществляемый через металл (бронза) электрода-крышки, что, в свою очередь, позволило уменьшить постоянную времени до 1 с и использовать датчик в зондирующем устройстве.

Несмотря на достигнутые успехи, все же основным недостат­ком кварцевых преобразователей температуры является относи­тельно большая инерционность (для реальных конструкций по­стоянная времени составляет не менее 3 с). Именно эта причина позволяет использовать кварцевые резонаторы в основном только для исследования долгопериодных флюктуации температуры среды при проведении долговременных автономных наблюдений или, учитывая высокое качество других метрологических пара­метров, для калибровки рабочих средств измерения.

Неконтактные измерители температуры ( пирометры ) в сравнении с контактными термометрами имеют то преимущество, что температурное поле объекта не искажается самым измерителем. Кроме того, такие измерители позволяют получить информацию в короткий срок с большой поверхности, что часто бывает необходимо для решения разных хозяйственных задач.

Принцип действия измерителей этого типа основан на восприятии специальным чувствительным элементом электромагнитного излучения с поверхности моря. Все тела, температура которых выше абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны - инфракрасный поток радиации в диапазоне 0.76-50 мк. Это излучение может быть описано законом Стефана-Больцмана.

В области длин волн от 4 до 13 мк коэффициент излучения поверхности моря близок к единице, то есть для данного участка спектра море может рассматриваться как абсолютно черное тело (которое поглощает всю радиацию), а поток излучения с поверхности - как величину, которая несет информацию о температуре тела, то есть поверхности моря.

В диапазоне температур, характерных для поверхности моря ( от -2° к +35°С), суммарный поток, который излучается с поверхности меняется от 0.0304 до 0.0500 Вт/см². Так как эта величина очень имела, чувствительный элемент термометра должен быть тщательно изолирован от влияния факторов, которые искажают показания, основными из который такие:

- Поглощение слоем атмосферы некоторой части потока, который излучается

- Собственное излучение слоя атмосферы

- Отраженное от поверхности моря солнечное излучение

Изоляция чувствительного элемента от влияния указанных факторов достигается применением в оптической системе термометра специальных фильтров, которые пропускают излучение в узком диапазоне (8-13 мк), в котором поглощение слоем атмосферы и его собственное излучения минимальные, а поверхность моря может рассматриваться как абсолютно черное тело (к = 0.98), которое не отражает солнечную радиацию.

Приборы для измерения температуры воды

При измерениях температуры морской воды используются приборы разного типа, которые по месту производства измерений можно условно разделить на глубоководные измерители, измерители температуры поверхности моря и измерители температуры поверхностного слоя. Под температурой поверхностного слоя понимается температура верхнего слоя толщиной не более 1 м. А под температурой поверхности моря понимается температура слоя морской воды толщиной от нескольких микрон до 1-2 см. Температура поверхности моря вследствие испарения может быть меньше температуры поверхностного слоя на 1-3°С.

Измерение температуры поверхностного слоя моря термометром в оправе Для измерения температуры поверхностного слоя применяют ртутный термометр со шкалой, которая имеет деления через 5°С и цену деления 0.2°С. Термометр вставлен в латунную (или пластмассовую) оправу, которая служит для защиты его от повреждений и позволяет удерживать возле резервуара термометра некоторый объем воды, которая обеспечивает большую точность измерений.

Оправа состоит из двух вставленных одна в другую трубок с продольными прорезами и стакана размером: высота = 7 см, диаметр = 5 см. Объем стакана = 200 мл. ,

Внешняя трубка может поворачиваться на 90° и перекрывать отверстие. Верхняя часть внутренней трубки заканчивается металлической пробкой, к которой прикрепляется скоба, которая служит для привязывания к оправе линя. При установке термометра необходимо, чтобы в прорези можно было видеть всю его шкалу, а резервуар находился в средней части стакана.

При подготовке к измерениям делают внешний обзор оправы:

• Внешняя трубка должна вращаться без затруднений

• Скоба и закрепляющие ее винты должны быть в исправности

• Стакан не должен протекать

Для измерения температуры поверхностного слоя термометр в оправе погружают в море или морскую воду зачерпывают ведром и в немизмеряют температуру воды.

Первый способ применяют, когда отсутствующее сильное волнение. Порядок работы при этом такой:

• Поворотом оправы закрывают шкалу термометра

• Термометр на лине опускают в воду настолько, чтобы верхний конец оправы опустился в воду на 5-10 см

• Поднимают термометр, выливают воду со стакана и снова опускают в воду, где выдерживают его3 минуты

• Быстро поднимают термометр, становятся спиной к солнцу, чтобы закрыть его от солнечных лучей

• Не выливая воду поднимают термометр к уровню глаз, вращают внешнюю оправу, чтобы можно было видеть шкалу

• Делают отсчет с точностью до 0.1 °С (время отсчета не более 30 сек)

• В темное время отсчет ведется на просвет, включив фонарь за термометром.

Второй способ используют при сильном волнении. Порядок работы:

• Предварительно ополаскивают ведро забортной водой

• Погружают ведро не более чем на 0.5 метра

• Выдерживают около 1 минуты, чтобы оно приняло температуру воды

• Поднимают ведро и ставят в тень

• Опускают термометр, делают 2-3 помешивания, вынимают термометр и выливают воду со стакана

• Снова погружают термометр в ведро и, помешивая, делают время от времени отсчеты, не вынимая термометр

• Когда два таких следующих один за другим отсчета дадут одинаковые показания (обычно через 2 минуты), записывают последний отсчет в книжку

Для получения сравнимых данных температура воды должна измеряться у берега всегда в одном и том же месте. Обычно это выдающиеся в море молы или причалы. Глубина места измерения должна быть не меньше 50 см при наиболее низком уровне. Место измерения должно быть отдалено от устьев рек, ручьев, ливневых и канализационных стоков. В зимнее время море в районе наблюдений не должно промерзать до дна.

С судна температуру воды измеряют с подветренного борта в носовой части.

Глубоководный опрокидывающийся термометр Глубоководный опрокидывающийся термометр предназначен для измерения температуры воды на заданных горизонтах. Он состоит из двух термометров: основного (главного) и вспомогательного (коррекционного), которые расположены в стеклянной оболочке, которая охраняет их от давления воды на глубинах. Основной термометр служит для измерения температуры воды, а вспомогательный - для измерения температуры воздуха внутри термометра в момент отсчета по основному термометру.

Вспомогательный термометр представляет собой обычный ртутный термометр и смонтирован в перевернутом состоянии относительно основного. Оба термометра скреплены друг с другом двумя металлическими хомутиками и закреплены в стеклянной оболочке с помощью пробки и упругих скобок, прикрепленных к верхнему хомутику.

Основной термометр состоит из резервуара и припаянного к нему толстостенного капилляра. Пространство между резервуаром и стеклянной оболочкой заполнено ртутью для исключения изолирующего влияния находящегося в этом пространстве воздуха, и обеспечения теплового контакта резервуара с внешней средой. Ртуть изолирована пробкой от другой части стеклянной оболочки. Чтобы внешнее давление не передавалась на резервуар термометра, пространство между резервуаром и оболочкой заполняется ртутью не полностью.

На некотором расстоянии от резервуара капилляр имеет сужение, от которого ответвляется в сторону и вниз под небольшим углом так называемый глухой отросток. Несколько выше глухого отростка капиллярная трубка завернута петлей в один оборот; капилляр на всем протяжении петли значительно расширен. Петля служит для приема излишка ртути, который может поступить в капилляр из резервуара после опрокидывания термометра. Этот излишек может возникнуть при расширении ртути от повышения температуры в сравнении с температурой, которая наблюдалась в момент опрокидывания термометра. Выше петли капиллярная трубка прямолинейна. Цифровые обозначения целых градусов нанесены на шкалу начиная от верхнего конца капилляра в обратном направлении относительно резервуара, потому что отсчет ведется при перевернутом положении термометра - резервуаром вверх. Объем приемника и капилляра до отметки шкалы 0°С для каждого термометра постоянный и выражается не в обычных объемных единицах, а в градусах, т.е. в тех же единицах, что и шкала термометра. Этот объем называется Vo или Vol (от английского слова volume - объем). Значение его наносят на приемник c задней стороны термометра и, кроме того, указывают в паспорте термометра.

Принцип действия термометра состоит в следующем. После выдержки на заданном горизонте, в течение которой термометр расположен резервуаром вниз, он опрокидывается. При этом столбик ртути отрывается в месте ответвления глухого отростка, отделяясь от основной массы ртути, которая находится в резервуаре. Постоянство места отрыва ртути является основным условием правильности показаний глубоководного термометра. Ртуть, которая оторвалась, стекает в противоположный конец капилляра, где находится приемник. После отрыва учитывается тепловое изменение объема только ртути, которая оторвалась. Объем ее крайне малый, а потому его тепловое изменение при отсчете незначительно. Для учета этого изменения объема и ведется одновременно отсчет по вспомогательному термометру, по которому потом вводится поправка на изменение объема оторвавшегося столбика ртути, который при поднятии термометра подвергается температурному влиянию слоев воды, лежащих выше, и воздуха (эта поправка называется «редукционной»).

Для измерения температуры воды в морях с разным тепловым режимом выпускаются глубоководные термометры с такими диапазонами температур: от -2 до +9°С (цена деления 0.05°С); от -2 до +16°С цена деления 0.1 °С и от -2 до +32°С с ценой деления 0.1 °С

Вспомогательные термометры имеют диапазон показаний от -20 до +45°С с ценой деления шкалы 0.5°С.

Порядок измерения температуры глубоководным термометром:

• два термометра прикрепляют к батометру (или к раме) и в таком виде погружают на заданную глубину. Термометры подбирают так, чтобы они имели близкие Vol и приблизительно одинаковый ход инструментальных поправок

• приборы выдерживают на заданных глубинах на протяжении времени, необходимого для принятия термометром температуры окружающей воды, т.н. времени аккомодации (обычно 5-7 мин), считая с момента погружения на заданный горизонт самого верхнего прибора

• по окончании выдержки опускают по тросу посыльный грузик и, не отнимая руки от троса, убеждаются, что ощущается двойной удар у каждого батометра, и, таким образом, все грузики достигли цели и батометры перевернулись

• поднимают приборы на палубу и делают первый отсчет. Он производится немедленно после извлечения прибора из воды и служит для предварительного ориентирования в степени надежности показаний термометра. Точность отсчета по вспомогательному термометру 0.1 °С, по основному - 0.01°С

• по окончании отбора проб воды со всей серии батометров, но не раньше, чем через 5 минут после поднятия прибора (чтобы столбики ртути основного и вспомогательного термометров приняли температуру окружающего среды), делают второй отсчет. Второй отсчет считается окончательным и принимается для последующей обработки. В случае возникших сомнений в правильности второго отсчета, его необходимо повторить.

Основные требования к глубоководному термометру Исправный термометр должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Расстояние между делениями шкалы должна обеспечивать отсчет к 0.01°С.

2. Отрыв должен происходить всегда в сужении возле глухого отростка

3. Ртуть, которая оторвалась, не должна разбиваться на отдельные части

4. При перевороте термометра ртуть должна соединяться с ртутью, которая находится в резервуаре

5. Термометр должен иметь свидетельства об инструментальных поправках основного и вспомогательного термометров

Инерция термометра. Всякий термометр имеет температурную инерцию, то есть он не мгновенно принимает температуру окружающего среды. Поэтому термометр должен выдерживать в воде не меньше времени принятия температуры окружающего среды (время аккомодации 5-7 мин). Однако не следует термометр выдерживать в воде больше этого срока, во избежание потерь времени.

Уход за термометром Термометры всегда хранятся в вертикальном положении, ртутным резервуаром вниз. Иначе столбик ртути будет длительное время изолирован от общей массы ртути, в результате чего в месте отрыва ртути может оказаться пленка окислов, у которой в дальнейшем будет происходить отрыв.

Термометры должны храниться в помещении с температурой воздуха >0, но ниже верхней границы шкалы термометра.

Термометры - глубомеры (ТГМ) Термоглубомером (ТГМ) служит несколько измененный глубоководный опрокидывающийся термометр, у которого внешняя стеклянная трубка, которая защищает резервуар термометра от давления воды, открыт с нижней стороны и имеет в верхней части отверстие для стока воды. В таком термометре длина столбика ртути в капилляре будет меняться не только под влиянием температуры, но и в результате непостоянного внешнего давления.

Одновременно с термоглубомером в паре с ним на ту же глубину опускается обычный глубоководный термометр, защищенный от давления столба воды. Поскольку отсчет по защищенному термометру дает температуру воды на заданном горизонте, а отсчет по незащищенному термометру (ТГМ) искажен влиянием давления, то значение давления может быть легко рассчитано по разности показаний обоих термометров. Таким образом, остается лишь перевести давление, выраженное в градусах температуры, в линейную меру, которая показывает высоту столба вода над термоглубомером.

Удлинение столбика ртути при изменению давления на 1 кг/см² называется коэффициентом давления (или коэффициентом сжимаемости) термоглубомера. Коэффициент этот измеряется в компрессорной установке при выпуске термоглубомера с завода и записывается в свидетельство о поверке термоглубомера.

Глубина погружения термометра-глубомера расчитывается по формуле:

где Н - глубина погружения

(Т-Т_ТГМ) - разность полученных температур по гермоглубомеру и глубоководному термометру.

β - коэффициент давления ТГМ, приведенный в свидетельстве прибора

α_е - средний удельный объем воды от поверхности моря до данной глубины.

Батитермограф

Батитермограф (БТ) - морской гидрологический прибор, который предназначен для измерения и записи распределения температуры воды по вертикали в верхнем 200-метровом слое моря. БТ может использоваться как в дрейфе, так и на ходу судна.

Устройство. БТ (ГМ-9) состоит из двух основных частей: термоблока, который регистрирует изменение температуры, и батиблока, который показывает глубину. Перемещение этих двух блоков прибора комбинируется в одно перемещение пера, которое записывает на стеклянной пластинке со специальным покрытием изменение температуры в зависимости от глубины. Таким образом и получают распределение температуры воды по вертикали до 200 метров.

Термоблок представляет собой термосистему (медная капиллярная трубка длиной около 20-25 метров), один конец которой запаян, а другой соединен с полой бронзовой геликоидальной пружиной. Эта система заполнена толуолом. К свободному концу пружины припаяна стрелка с иглой на конце. При изменении температуры воды меняется объем толуола, которым заполнена система. В результате возникает упругая деформация пружины, которая заставляет скручиваться или раскручиваться эту пружину. При этом игла стрелки скользит по стеклу, которое имеет специальное покрытие и с погружением прибора процарапывает на покрытии линию толщиной меньше 0.1 мм. Другая стрелка, прикрепленная к раме, служит дам нанесения базисной линии. Трубка с толуолом намотана на гребенки стабилизатора и защищена от механических повреждений.

Батиблок содержит цилиндрическую пружину, надетую на неподвижный стрежень и заключенную в герметичный блок сильфонов. Сильфоны воспринимают непостоянное давление воды и передают его пружине. Один конец сильфона закреплен неподвижно, а ко второму (подвижному) прикреплен столик, на котором лежит стекло.

При погружении прибора втулка под действием гидростатического давления столба воды перемещается по стрежню на расстояние, пропорциональное давлению. При этом столик перемещается в сторону неподвижного конца пружины, а стрелка термоблока чертит на закрепленном на этом столике стеклянной пластинке, размером 5x6 см, линию изменения температуры с глубиной.

В комплект прибора входит отсчетное приспособление, которое применяется для обработки записи на стекле. Оно представляет собой рамку с установленной на ней лупой. В рамке жестко установлена сетка, построенная по результатам градуировки батитермографа. Стеклянная пластинка с записью устанавливается на этой сетке таким образом, чтобы базисная линия на стекле совпадала с базисной линией на сетке. Цена деления отсчетной сетки составляет: по температуре - 0.2°С, а по глубине - 2 метра.

Батитермограф ГМ-9 имеет диапазон измерений температуры воды от -2 до 30°С. Точность отсчета - 0.1°С. Масса прибора 10-15 кг.

Судовой радиационный термометр ( ик-радиометр )

Ик-радиометр предназначен для неконтактного измерения температуры поверхности воды с судна как на ходу, так и в дрейфе. Он состоит из двух блоков: оптической головки и пульта управления и регистрации. Оптическая головка предназначена для приема инфракрасной радиации и концентрации ее на тепловом приемнике-болометре с дальнейшим преобразованием ИК радиации в электрический сигнал для последующего его усиления. Пульт управления предназначен для преобразования сигнала, который поступает от приемника, и регистрации его на самописце. Схема ик-радиометра содержит в себе модулятор, болометр, усилитель, термостабилизатор, схему питания прибора.

Поток ИК радиации, который излучается поверхностью с площади равной полю зрения оптического блока, поступает на тепловой приемник - болометр через входной защитный фильтр и преобразовывается двухлопастным модулятором с частотой 10 гц. Вращение модулятора обеспечивает попеременное поступление на поверхность сферического зеркала и после него на болометр потоков излучения моря и модели черного тела. Для фильтрации радиационных препятствий перед болометром установлен оптический фильтр с полосой пропускания 8-13 мк.

Таким образом, тепловой поток, который поступает на болометр представляет собой разность излучения моря и модели черного тела. Эта разность вызывает изменение сопротивления болометра с частотой модуляции (10 Гц), а значит и изменение напряжения на болометре. Это переменное напряжение потом превращается в рабочий сигнал, который через усилитель поступает на регистратор прибора (потенциометр ЭПП-09). Система термостабилизации содержит датчик температуры, сигнал которого поступает через реле на нагревательную обмотку оптического блока.

Основные технические характеристики Диапазон измерения температуры от -3 к +37°С Предельная чувствительность приемного устройства 0,05°С Точность измерения 0.2°С Угол зрения оптического блока 12 град. Точность термостабилизирования 0.1 °С Время выхода на режим измерения 4 часа. Размеры оптического блока 716 x 415 мм. Масса аппаратуры 50 кг. Питание 220 в, 50 Гц.

Определение солености морской воды

Основным отличительным свойством морской воды является ее соленость, точное происхождение которой еще не изучено.

Общий объем морской воды 1370 млн км³ при солености 35%осодержит 48*10¹⁵ т соли, которая покрыла бы всю земную поверхность слоем весом95 Т/М², а только выступающие из воды области - слоем весом320т/м².

Ионный состав морской воды соленостью 35%о выглядит таким образом.

Компоненты Концентрация, %

Хлориды (Сl) 19. 353

Натрий (Nа) 10. 760

Сульфаты (SO₄) 2. 712

Магний (Мg) 1. 294

Кальций (Са) 0. 413

Калий (К) 0. 387

Гидрокарбонаты ( НСО₃ ) 0. 142

Больше всего в морской воде содержится хлора и натрия. Но главные растворенные в воде элементы обычно находятся не в чистом виде, а в виде солей. Основными из них являются: 1) Хлориды - процентное содержание которых составляет 88.7% от всех растворенных веществ. Придает воде горько-соленый вкус; 2) Сульфаты - 10.8%; 3) Гидрокарбонаты - 0.3%. В речной воде соотношения между солями обратное. 1) Гидрокарбонаты - 60.1%; 2) Сульфаты - 34.7 %; 3) Хлориды - 5.2%.

Практически очень сложно определить соленость прямыми измерениями, то есть последовательностью операций, которые включали бы испарение, высушивание и взвешивание твердого осадка, полученного из данного количества морской воды. Это связано с тем, что некоторые вещества, особенно хлористые соединения, испаряются еще из гигроскопического осадка на последних стадиях высушивания.

Для избежание этих трудностей при определении солености была создана Международная комиссия во главе с Кнудсеном. Главнейшим результатом деятельности этой комиссии было установление закона о стабильности соотношения между растворенными в морской воде веществами в различных частях Мирового океана, который получил название "Постоянства солевого состава морской воды". Благодаря этому оказалось возможным составить таблицы для вычисления солености морской воды по содержанию в ней хлора, который определяется значительно проще. Международная комиссия установила такое соотношение между хлором и соленостью

5=0.03+1. 805Сl

Новая формула ЮНЕСКО

S=1. 80655Сl

Для Черного моря S=0.184+1.795Сl

Исходя из этого, определение солености можно дать таким образом:

Соленостью морской воды называется суммарное количество всех твердых минеральных растворенных веществ в граммах, которые содержатся в 1кг морской воды, при условии, что бром и йод замещены эквивалентным количеством хлора, все углекислые соли переведены в окислы, а все органические вещества сожжены при температуре 480°С.

В данное время существует несколько способов определения солености. К числу наиболее распространенных относятся такие методы:

1. Физический

2. Химический

3. Оптический

4. Электромагнитный

1. Физический (ареометрический) метод.

Ареометр (прибор для измерения удельного веса) представляет собой полый стеклянный цилиндр, вытянутый кверху в узкую трубку - шейку. Нижняя часть цилиндра заполнена дробью. На шейку нанесенная шкала с ценой деления 0.0002. Деления достаточно велики, чтобы можно было взять отсчет с точностью до десятой части деления. Чтобы сохранить достаточно большие значения делений применяют набор ареометров, который охватывает все возможные в морской практике удельные весы. К каждому набору ареометров добавляются:

1. поисковый ареометр со шкалой от 1.0000 до 1.0400

2. термометр со шкалой от -5°С к +40°С

3. ареометрический стакан

Производство ареометрирования.

1.Проба должна принять температуру помещения

2. Ареометрический стакан трижды ополаскивают исследуемой водой, после чего воду наливают так, чтобы после погружения ареометра уровень был на 1 -2 см ниже края стакана

3. Измеряют температуру пробы с точностью до 0.1 °С

4. Осторожно опускают ареометр, сообщая ему легкое вращательное следование. После того, как вращение прекратится, делают отсчет. Отсчет делают по нижнему краю мениска.

5. Измерения повторяют еще два раза, после чего среднее между тремя отсчетами записывают в книжку.

6. Снова измеряют температуру воды. Различие между отсчетами не должна превышать 0.5 градуса. В противном случае все измерения необходимо повторить.

7. Делают первичную обработку удельного веса, которое заключается в следующем:

а) вводят инструментальные поправки в отсчеты термометра

б) вводят инструментальные поправки в отсчеты ареометра

в) приводят исправленные показания ареометра к температуре 17.5°С

г) окончательный отсчет записывают с точностью до 0. 0001.

• Химический (аргентометрический) метод

Из закона постоянства солевого состава морской воды вытекает, что соленость морской воды можно определить, зная содержание любого элемента. Удобнее всего оказалось определять соленость морской воды по содержанию в ней хлора, поскольку существуют достаточно простые и точные методы определения хлора и, кроме того, процентное содержание хлора в морской воде достаточно большое.

Порядок определения хлора в морской воде следующий:

Точно отмеренную пробу (15 мл ) морской воды титруют раствором азотнокислого серебра AgNO₃ определенной концентрации до прекращения образования белого творожистого осадка хлористого серебра AgCl. Для точного определения конца образования осадка применяется индикатор - раствор хромовокислого калия K₂CrO₄. Хромовокислый калий дает с раствором азотнокислого серебра оранжевый осадок, причем образование осадка начинается только тогда, когда происходит полное осаждение хлора. Таким образом, в момент окончания осаждения хлора титруемая жидкость меняет свой цвет.

Для проверки титра раствора азотнокислого серебра, им титруют т.н. "нормальную воду", то есть воду, которая имеет хлорность 19.38%о и соленость 35%о, то есть среднюю соленость воды океана. Нормальная вода выпускается в специальных запаянных стеклянных баллонах емкостью 100-250 мл.

Таким образом, ход титрования такой:

• Определяем величину А - отсчет бюретки при титровании "нормальной" морской воды. При отсчете по бюретке необходимо вводить ее инструментальную поправку.

• Определяем размер а = 19.38 - А

3 Берем 15 мл исследуемой пробы и титруем ее. Получаем величину а - отсчет по бюретке при титровании исследуемой пробы.

1. Знавая а и α, по Океанографическим таблицам определяем поправку К.

2. Определяем хлорность воды С1 = а + К

3. Определяем соленость воды 8 = 0.03 + 1. 805 Сl.

3. Оптический метод

• Метод определения солености по оптическим характеристикам основан на зависимости коэффициента преломления света в морской воде от ее солености. Для определения коэффициента преломления света водой разной солености могут быть использованные интерферометры и рефрактометры.

Интерферометр состоит из оптического устройства для получения пучка параллельных лучей - коллиматора; двух оптических пластинок, через которые проходят параллельные пучки; двух кювет с плоскопараллельними стеклянными стенками; термостата, в который помещаются кюветы; зеркала, которое имеет две двойные диафрагмы; компенсатора с микрометрическим винтом; окуляра и термометра для измерения температуры в термостате.

Принцип работы интерферометра заключается в том, что два луча от коллиматора проходят пластинки и кюветы, в одной из которых находится "нормальная" вода, а в другой - исследуемая проба морской воды, в которых они преломляются. Дальше, отразившись от зеркала, они возвращаются в окуляр. Каждый луч проходит через пластинку и кювету. В связи с тем, что коэффициент преломления луча исследуемой и "нормальной" воды разный, интерференционные полосы в окуляре оказываются сдвинутыми по отношению друг к другу. Перемещая одну из оптических пластинок с помощью микрометрического винта компенсатора, можно соединить интерференционные полосы в окуляре. Угол поворота микрометрического винта фиксируется на его шкале. Для разных температур термостата строятся графики, которые определяют соотношение солености исследуемой пробы и отсчета микрометрического винта.

Интерферометр снабжен кюветами разного объема - 4, 6 и 10 см³. В малой кювете с помощью интерферометра можно определить соленость в диапазоне от 0 до 35%о с погрешностью 0.03%о. При использовании большой кюветы погрешность измерения может быть снижена до 0.003%о. Время, необходимое для определения солености одной пробы, 7-8 минут. Причем большая часть времени - 5-6 минут - тратится на термостатирование проб перед началом измерения.

4. Электромагнитный метод

Морскую воду можно рассматривать как раствор неорганических солей, основную массу которых составляют соли сильных кислот и сильных оснований. Будучи электролитами, растворы этих солей в воде практически целиком диссоциируются на отдельные ионы. Поэтому морская вода имеет свойство электропроводности, которая зависит от количества неорганических солей, которые содержатся в ней, (то есть солености).

Существуют несколько методов определения солености морской воды, основанные на измерении ее электропроводности. Основным элементом солемеров, основанных на измерении электропроводности морской воды, является первичный преобразователь значения электропроводности в какой-либо электрический параметр - датчик электропроводности. Большое количество разработанных к настоящему времени датчиков можно разбить на два основных класса:

1. Контактные, или так называемые кондуктивные датчики, то есть датчики, которые имеют непосредственный контакт со средой;

2. Бесконтактные, то есть датчики, которые не имеют контакта со средой.

К первому классу относятся электродные датчики, входным параметром которых является электрическое сопротивление или напряжение. В простейшем виде такой датчик представляет собой пару электродов, которые погружаются в исследуемую среду. Однако приборы, построенные на основе кондуктометрического метода, имеют погрешности, связанные с поляризацией и загрязнением контактов - электродов прибора.

Ко второму классу относятся емкостные и индуктивные датчики. В емкостных датчиках в электрический параметр превращается не электропроводность среды, а диэлектрическая проницаемость, связанная с электропроводностью функциональной зависимостью. Однако емкостной метод не нашел широкого применения из-за недостаточно широкого диапазона измерения диэлектрической проницаемости.

Наибольшее применение в практике получил индуктивный метод определения солености. Датчик индуктивного типа представляет собой два тороидальных трансформатора, помещенных в исследуемую среду. Между ними, за счет окружающего витка воды, возникает взаимоиндуктивная связь.

При подаче переменного напряжения на обмотку одного из них, называемого возбуждающим, в обмотке второго (приемного) будет индуцироваться э.д.с., пропорциональная размеру взаимоиндуктивной связи, которая в свою очередь зависит от электропроводности витка воды.

Принцип действия приборов индуктивного типа основан на сравнении электропроводности исследуемой воды с электропроводностью воды известной солености ("нормальной" воды).

В качестве примера рассмотрим электросолемер ГМ-65. Перед началом работы проводится калибровка прибора по нормальной воде. Она проводится после выравнивания температуры окружающего среды, прибора, который измеряет соленость проб морской воды и "нормальной" воды. Калибровка состоит в установке на нуль индикатора, который показывает результирующее напряжение в измерительном мосте прибора, при известной температуре и солености. Потом в камеру заливается исследуемая проба. Ручками "электропроводность" стрелка индикатора снова устанавливается на "0". Снимается отсчет с ручек "электропроводность" и по таблицам определяется соленость по известной температуре и электропроводности.

Основные технические характеристики солемера ГМ-65 такие:

Диапазон измерения электропроводности 0.169-1.176 см/м. Диапазон измерения солености 4.993-42.032 %о

Погрешность измерения солености в диапазоне от 4.993 до 27.013%о ~ 0.03%о в диапазоне от 27.013 до 42.032 %о - 0.02%о. Размеры 550x475x 300 мм

Питание от сети 127 в ± 10%

220 в ± 10%

от аккумулятора 12.5 в ± 10%

Масса прибора 20 кг