Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океана

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

5.68 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 162 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

ственного осреднения и параметрами движения, восстановить вид исследуемого поля на траектории движения прибора? Какие огра ничения налагают прибор и методика измерения на точность изме рения?

Нередко применяется и другая методика измерения с помощью приборов-зондов: они опускаются на заданную глубину и, удержи ваясь на ней, ведут запись изменения элементов с течением вре мени. При этом зонд совершает движение относительно среды за

Рис. 1. Приборы для измерения физических полей океана.

счет дрейфа судна или, если последнее стоит на якоре, за счет дви жения водных масс океана, обусловленного течением. Скорость дви

жения прибора относительно среды

л е ж и т

пределах

от

единиц

до десятков сантиметров в секунду. Такого

рода измерения

позво

ляют

исследовать статистические

свойства

случайной

составляю

щей

поля

на заданном горизонте. Д л я

исследования именно

стати

стических

свойств полей

используются

буксируемые

приборы

(2)

и автономные: приборы,

расположенные

на

горизонтах

буйковых

телеметрических станций (3), и автономные

заякоренные

само

всплывающие приборы

(4).

Буксируемые

приборы

работают

на

ходу,

и перемещение

их

относительно

среды

вызвано

движением

со скоростью судна

[до

узлов

(620

см/с)].

Изменение

полей

в точке измерения автономными приборами в значительной

степени

обусловлено движением

океана, вызванным

течением,

скорость

ко-

торого лежит в пределах от единиц до десятков сантиметров в се кунду. В указанных случаях з а д а ч а теории измерения может быть сформулирована следующим образом [78].

К а к по данным измерений, полученным с помощью прибора с за- м данными характеристиками инерционности и пространственного!/ осреднения при данной методике измерения, восстановить статисти- \ \ ческне характеристики измеряемого поля? Какие ограничения нала- \\

гает прибор и методика измерения на точность

полученных

с т а т и - ' ;

стических

характеристик?

Отметим, что при измерении полей

буксируемыми

приборами

(2) нередко

решается

з а д а ч а получения

не статистических

харак

теристик поля на заданном горизонте, а изменения поля по траек

тории движения . При этом з а д а ч а теории измерения может быть

сформулирована

так

ж е , как и д л я

случая вертикального зондиро

вания.

Из приведенного краткого обзора следует, что практически все

измерения производятся д в и ж у щ и м и с я

приборами.

Это движение

либо вынужденное

(буксирование,

зондирование),

либо

связано

с течением или дрейфом. В ряде случаев

движение

первом при

ближении может считаться равномерным и прямолинейным. В бо

лее общем случае в нем имеется составляющая переменной скоро

сти, которую часто можно считать паразитной

(исключение

состав

ляет

преднамеренное

буксирование

прибора

по

траектории,

отличной от прямой — синусоидальной).

Итак, задачи гидрофизических измерений могут быть разделены

j |

па два

типа:

а)

получение

реализации

исследуемого

поля

(при

зондировании 1 ;

и буксировании);

' i

б)

получение

статистических

характеристик

случайной

компо-i j

ненты исследуемого поля (при буксировании, дрейфе

и на автоном-1 j

ных заякоренных приборах) .

Эти особенности будут положены в

основу

теории

построения

приборов, предназначенных для проведения гидрофизических изме

рений.

§ 2. Общие сведения о приборах

для измерения гидрофизических

полей

Решение

современных

океанографических

задач

налагает на

метрологические показатели измерительных приборов очень высо

кие требования [35]. Правильное представление

о структуре

полей

океана невозможно получить без глубокого анализа работы изме

рительных приборов, применяемых д л я их исследования. Рассмот

рим принципы построения приборов, наиболее часто применяемые

при гидрофизических

измерениях

обеспечивающие

требуемые

метрологические н эксплуатационные

показатели.

Величины,

измеряемые

гидрофизических

исследованиях,

можно

разделить

на

электрические

неэлектрические. К первым

относятся

теллурические

токи

[76],

разность

электрических

потенциалов в море	[83], электропроводность	морской воды	[3, 61,
S9], диэлектрическая проницаемость морской воды, напряженность
магнитного поля в	море [76]. Д л я измерения	этих величин	естест
венно применять родственные им электрические методы.
Разновидностей	неэлектрических величин,	измеряемых при оке

анографических исследованиях, значительно больше. Приведем краткий перечень групп таких величин.

1. Механические величины (скорость течения [5, 33, 37, 55, 83, 86, 93], направление течения [55, 83, 86], уровень моря [55], гидро

статическое давление [49,				73]).
	2.	Тепловые величины		(температура, количества	тепла) [6, 11,
24,	28,	50,	87].
	3.	Акустические величины (скорость звука и др.)			[2].

4.Величины, характеризующие излучения (радиоактивность [9], яркость [30], спектральный состав [31], поляризация [30], прозрач ность, освещенность [45, 54, 88]).

5.Величины, характеризующие химический состав морской воды

(концентрация солей и	газов)	[3, 60, 82, 88, 92] и т. д.
В настоящее время	и д л я	измерения неэлектрических величин

все шире применяются приборы, основанные на электрических прин ципах. Они обладают следующими существенными для морских ис следований качествами [77]:

1) позволяют эффективнее осуществлять дистанционные изме

рения, что очень в а ж н о в океанографии, где измерительный прибор,
как правило, находится далеко от	наблюдателя и в труднодоступ
ном месте (см. § 1 настоящей г л а в	ы ) ;

2) дают широкую возможность автоматизации измерений, упра вления экспериментом и непрерывного проведения математических операций, связанных с обработкой результатов наблюдений [35];

3)удобны д л я комплексных гидрометеорологических исследо ваний [38];

4)позволяют регистрировать как очень медленно, так и быстро меняющиеся величины, имеют широкий динамический диапазон .

Приборы д л я измерения неэлектрических гидрофизических вели чин электрическими методами в качестве входного элемента обяза тельно содержат измерительный преобразователь-устройство, пре образующее измеряемую неэлектрическую величину в электриче скую, которая затем измеряется и регистрируется [65, 67, 77]. Измерительный преобразователь устанавливает функциональную зависимость выходной электрической величины (э. д. с , сопротив ления и т. д.) от входной измеряемой неэлектрической величины.

На рис. 2 показаны заимствованные из [77] упрощенные струк турные схемы электрических приборов д л я измерения неэлектриче ских величин. В представленной на рис. 2.1 схеме с одним преобра зователем измеряемая неэлектрическая величина X подается на вход измерительного преобразователя ИП. Выходная электриче ская величина Y преобразователя измеряется и регистрируется электрическим измерительным устройством ЭМУ. По такой схеме может быть построен, например, измеритель температуры, состоя-

щин из термопары и милливольтметра. В гидрофизических изме рениях эта схема почти не применяется из-за плохих метрологиче ских показателей.

В ряде приборов измеряемая неэлектрическая величина претер


певает	несколько		преобразований (структурная						схема рис. 2.2).
На этой	схеме Я ] ,			Яг, . . . ,	Пп—		преобразователи		неэлектрической
величины		в неэлектрическую				(часто механическое				перемещение
подвижной		части	м е х а н и з м а ) ,			а	неэлектрическая		величина Хп пре
образуется		измерительным			преобразователем			в	электрическую Y.
По этому		принципу		построены,			например,	приборы,		описанные
в [49, 55].

2)	**> п2	ИП	ЭИУ
	НИ	РУ	ЭИУ
'комп	0/7
	у
Цепь	обратной	связи

Рис. 2. Упрощенные структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин.

/ — с одним преобразователем,	2 — с несколькими преобразователями,
3 — функциональная схема	компенсационного	преобразователя.
Приборы, построенные по	структурным	схемам рис. 2.1 и 2.2,

основаны на принципе прямого преобразования, не обеспечиваю щем высокой точности измерений, так как сами преобразователи имеют погрешности, достигающие 2—10%.

В настоящее время все ч а щ е применяются приборы компенса ционного преобразования измеряемой или некоторой промежуточ

ной	неэлектрической или электрической	величины, позволяющие
при	тех ж е преобразователях получить	меньшую погрешность при

бора. Функциональная схема такого прибора приведена на рис. 2.3, где НИ— нуль-индикатор, РУ— регулирующее устройство, ЭИУ— электрическое измерительное устройство, ОП — преобразователь обратной связи (обращенный преобразователь), X— измеряемая величина, Y — выходной электрический сигнал. Эта схема харак терна тем, что помимо цепи прямого преобразователя, образован ного нуль-индикатором и регулирующим устройством, имеется цепь

обратной связи, преобразующая электрическую величину У в вели чину Х,;омп, однородную с измеряемой или промежуточной величи ной. Регулирующее устройство и преобразователь обратной связи вырабатывают такую величину А'К 0 М п, которая обращает в нуль раз ность А Х = Х — Хцомп (т. е. наступает компенсация), и электриче ское измерительное устройство регистрирует соответствующую этому положению величину У. По такой схеме построены приборы, описанные в [3, 45, 54]. Снижение погрешности приборов здесь свя зано с наличием в них отрицательной обратной связи.

Приборы для измерения гидрофизических полей конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла: датчик, из

мерительное устройство		(измеритель)		и	указатель	(пли регистра
тор) (рис. 3),	которые могут размещаться отдельно друг от друга
и соединяться	между собой лишь кабелем или другой линией связи.
X	Датчик	*1 ,	Измерители		У ,< Регистратор
Рис.	3. Конструктивное		деление	измерительного		прибора.

Д а т ч и к представляет собой конструктивную совокупность ряда

измерительных преобразователей,	размещаемых		непосредственно
у объекта измерения и находящихся	с ним	в контакте. Эксплуата
ционные условия на объекте, как правило,		более	суровы (высокое

давление, агрессивная среда и т. д . ), чем в месте отсчета или реги страции. Поэтому непосредственно в точку пространства, где необ ходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринять информацию о значе нии измеряемой величины и преобразовать ее в вид, пригодный для передачи на расстояние (обычно электрический сигнал Xi). Осталь ную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усили тели, источники питания и т. д . ), называемую измерительным уст

ройством, выполняют в виде отдельного самостоятельного						конструк
тивного	узла,	который	размещается	в более	благоприятных
условиях	(в	контейнере).	Указатель	(регистратор)		находится
вблизи оператора (в лаборатории на судне или на					берегу)	и связан
с измерителем		линией связи.

Подводя итог изложенному, можно сказать, что любой прибор для измерения гидрофизических полей, как правило, может быть расчленен на три преобразователя:

1)преобразователь измеряемой величины в электрическую (датчик);

2)преобразователь электрической величины в электрическую,

более	удобную д л я передачи и обработки (измеритель);
3)	преобразователь электрической величины в неэлектрическую

(регистратор).

§ 3. Математическое описание действия

линейного измерительного прибора

В настоящее время детально разработана теория и практика построения измерителей и регистраторов [10, 25, 64, 65, 77], чего нельзя сказать о теории датчиков гидрофизических полей. Отсутст вие такой теории делает затруднительным правильный расчет ха рактеристик датчиков, а, следовательно, и всего измерительного прибора в целом. Действительно, если первое звено измерительной цепи — датчик — не обеспечивает требуемой точности и диапазон ное™ измерения, то никакими мерами в измерителе и регистраторе невозможно повысить точность измерений или восстановить утра ченную часть спектра. Незнание pa- v

боты датчика может привести к оши бочному истолкованию результатов измерения. Поэтому необходимы методы анализа работы датчиков, учитывающие их наиболее сущест венные свойства.

Многие приборы д л я измерения гидрофизических величин в диапазо не измерения можно считать линей ными. Описание действия таких при боров начнем с датчиков. Пределы

применимости условия линейности Рис. 4. Характеристика датчика.

для	них указаны	в гл. V I I .
В теории электрических измерений вводится понятие характери
стики преобразователя - датчика [65]. Ею				называется функциональ
ная	зависимость	выходной	величины	датчика	У от	входной X
(рис. 4). У линейного безынерционного датчика					она	может быть
описана уравнением прямой			(статическая	характеристика)
		К = К 0 +/СоАГ,				(1.1)

где Уо называется начальным значением выходной величины, а /Со — чувствительностью преобразования . При учете инерционных свойств датчика в это выражение в качестве слагаемого входит линейная функция производных и интегралов по времени от величины А' (ди

намическая	характеристика) [27].
Отметим	недостатки такого определения, д е л а ю щ и е его мало

пригодным для описания действия датчиков гидрофизических вели

чин. По	определению (1.1), выходная величина взаимно однозначно
связана	со входной, т. е. к а ж д о м у данному значению входной вели

чины А' соответствует вполне определенное значение выходной ве личины У и наоборот. Н о такое положение справедливо только

водном из двух случаев:

1)входная величина постоянна в области измерения,

2)датчик имеет бесконечно м а л ы е размеры .

Поясним	сказанное. Реальный технически осуществимый дат
чик всегда	имеет конечные размеры, т. е. производит измерение

исследуемой величины, с о д е р ж а щ е й с я в некотором конечном объеме. Однако структура измеряемого поля может быть мельче этого объ ема, т. е. величина X не будет в нем постоянной. При этом возникает неопределенность в выборе той величины X в объеме измерения, которую необходимо подставить в формулу (1.1). Эта неопреде ленность устраняется только в двух вышеприведенных случаях.

Исследование работы датчика без учета конечности объема, в котором он производит измерение, сравнительно полно представ

лено в автоматике и теории регулирования

производственных про

цессов

[27,

65,

66], где

обычно не

интересуются

мелкой структурой

измеряемой

величины,

простота

такого описания датчика значи

тельно облегчает

анализ

соответствующих

устройств. Такой ж е под

ход

пригоден

д л я

анализа

прибо

ров

для

измерения

крупномасштаб

ных неоднородностей

гидрофизиче

ских полей, однако более тонкий ана

(гьг2.г3Г

лиз

датчиков

все

ж е

необходим

целью выяснения того, что называть

«крупным масштабом» д л я данного

прибора. В случае справедливости

соотношения (1.1) анализ измери

тельного прибора сводится к анали

зу

работы измерителя и регистра

Рис. 5.

Взаимное

расположение

тора.

Как

указывалось

выше,

спектры

центра

датчика

точки

изме

гидрофизических

полей

чрезвычай

рения.

но

широки

д а л е к о

простираются

как

область

низких,

так

в область высоких частот и волновых

чисел. Поэтому

д л я

расчета

устройств, анализирующих мелкую структуру процессов и явлений, необходимо введение такого соотношения между X и Y, которое бо


лее точно о т р а ж а е т связь м е ж д у	ними. Д л я			нахождения вида этой
связи рассмотрим рис. 5. Пусть датчик с центром в точке 1							помещен
в среду, исследуемая величина в	которой		образует		скалярное			поле
X ( п , гг. гз\ t). В ы р е ж е м в точке 2	среды с координатами (pi, р3 , р3 )
в момент времени т бесконечно малый объем dpidp2dps.						М о ж н о счи
тать, что в этом объеме в момент	т	величина		Х(г^,	r2 ,	r3 ; t)		посто
янна и равна X (pi, р2 , рз; т ) . Если		мысленно		полагать		измеряемую
величину X равной нулю во всех	точках,		за	исключением			указан

ного объема, и во все моменты времени, за исключением бесконечно малого интервала dx, то на выходе линейного датчика, в силу ма


лости объема	измерения в			точке	2	[т. е. применимости				равенства
(1.1)], будет зарегистрирована величина
dY'=X{plt	р 2 ,	р 3 ;	--)K{ru	г2,	r 3 ;		t; р,, р 2	)	р 3 ; -с) dp, rfp2		d?3 di,
где функция	К (п,	''2, r3; t;		pi, р2 , р3 ; т)			зависит		от взаимного		распо
л о ж е н и я датчика и точки измерения,						а т а к ж е		момента измерения т
в точке 2 и момента регистрации t на выходе									д а т ч и к а , . и	целиком
определяется	только		свойствами		датчика . Учет				влияния всех точек

пространства и моментов времени, предшествующих регистрации величины У , дает при условии линейности датчика

	со
	^ ' = J J J r f P i r f p 2 d P 3			J х(?\>		Pi. Рз;		- ОХ
	ХК(ги	г 2 ,	г3 ;	р,,	р 2 ,	р 3 ;	t)		(1.2)
Здесь интегрирование		по	времени		измерения			т осуществляется
до момента	регистрации	t.	Это	положение			называется		условием
физической	реализуемости датчика и означает, что реакция								датчика

на входное воздействие не может появиться раньше самого воздей ствия [48]. Такое условие для пространственных координат отсутст вует, и потому по ним интегрирование распространяется на всю об ласть совместного существования величин X и К.

Если точка 2 рис. 5 охватывается объемом датчика прибора, то степень влияния изменений в ней поля X на выходной сигнал дат чика зависит от конфигурации датчика и положения этой точки внутри его объема . Если ж е точка 2 лежит вне объема датчика, то возможны два случая, зависящих от физического принципа изме рения, положенного в основу работы датчика.

В первом случае датчик реагирует на изменения поля, располо женного в любой точке пространства, и поэтому в выражении (1.2) необходим учет всех точек поля, т. е. интегрирование по простран

ству в бесконечных пределах. Примером такого датчика				является
датчик индуктивного измерителя	электропроводности (§		4 гл. V I I ) ,
в основе которого л е ж а т законы	распространения	электромагнит
ного поля. При этом в х о д я щ а я в	формулу (1.2) функция			К суще
ствует во всем пространстве и убывает монотонно		пли	с	осцилля-
циями при удалении точки 2 от центра датчика.

Во втором случае датчик регистрирует изменения поля, локали зованные только в пределах его объема. Если точка 2 находится вне этих пределов, датчик нечувствителен к изменению поля в ней. При этом функция К отлична от нуля только внутри объема датчика и


равна нулю вне его, и, очевидно,				в формуле (1.2)		т а к ж е можно со
хранить	бесконечные		пределы	интегрирования		по	пространству,
поскольку указанный			вид функции приводит к учету в выходном си
гнале У	только	внутренних областей			датчика.	Примером		такого
датчика	является	датчик измерителя			прозрачности		морской	воды

(§ 2 гл. V I I ) .

Аналогичным образом соответствующим выбором зависимости

функции	К	от времени может быть учтено		влияние	на результат
измерения		изменений	поля, происходивших	в тот или	иной момент
времени	в	прошлом,	т. е. инерционность датчика . Очевидно, чем

меньше инерционность, тем меньше влияние удаленных во времени изменений поля на выходной сигнал.

Таким образом, интегрирование в бесконечных пределах в фор муле (1.2) -позволяет при правильном выборе функции К исследо вать датчики с различной конфигурацией и принципом действия.

2 Заказ № 516

Способы нахождения взаимосвязи между величинами X и Y',									ана
логичные изложенному, приведены в работах							[48, 64, 71, 74].
В случае, если характеристики датчика не зависят от его поло
жения	в	пространстве, выражение			(1.2)	существенно упрощается
		К ' = - J " 11		1 * ( P I •		Р 2 .	Р З ;	X
		— со		—оо
		X/<"(/"! — Рь	г2 — р 2 ,		г 3 — р 3 ;		if,
Если		ж е характеристики	датчика при этом не меняются во вре
мени, то допустимо еще одно			упрощение
		— СО		—оо
		ХАТ (г, — рь	г2	— р2 ,	г3 — р 3 ;		t — t)dx.		(1.3)
Так	как обычно параметры			гидрофизических				датчиков	неиз
менны	во времени и не зависят			от их положения				в пространстве, то

в качестве исходного соотношения, связывающего входную и выход ную величины датчика, можно принимать выражение (1.3).

Здесь необходимо сделать одно замечание . Согласно формуле (1.3), датчик регистрирует любые изменения поля X в зоне его дей ствия, независимо от причин, которые вызвали это изменение. Од нако изменения поля в объеме измерения могут быть связаны не


только с процессами в океане,		но и с в о		з м у щ а ю щ и м действием		са
мого датчика как	объекта, движущегося			в жидкой среде. Поэтому
на флуктуации	измеряемого	поля,	обусловленные		процессами
в океане, будут накладываться		паразитные флуктуации,			вызванные
турбулентностью	от конструктивных		элементов датчика . Эти			два

типа воздействий на датчик никак не разделимы в его выходном сигнале. Очевидно, что снижение паразитных возмущении осуще ствимо правильным выбором конструкции и размеров датчика, его ориентации и скорости движения . Здесь наиболее перспективны датчики, основанные на бесконтактных методах измерения (элек тромагнитные, оптические, акустические), позволяющие в ряде слу чаев вообще не возмущать объем измерения. Таким образом, под изменениями поля в формуле (1.3) следует понимать полные изме нения, вызванные двумя указанными причинами. Однако при ра циональной конструкции датчика, его ориентации и правильном выборе скорости движения возмущения будут малы . В дальнейшем считается, что эти условия выполнены, и изменения поля X связаны только с процессами в океане.

Проанализируем в ы р а ж е н и е (1.3). Пусть X (pi, р2 , рз; *с)=Хо	не
изменно по всему пространству и не зависит от времени. При	этом
У'=К0Х0,	(1.4)
где константа

ООСО

/ < 0 = = И	i cfpi «fp2ofp3 J AT(pi, p2 , p3 ;	(1.5)
— Ш	0

Соотношение (1.4) совпадает с (1.1) с точностью

до

несущест

венного слагаемого УоЭто

означает, как и следовало ожидать,

что

в ы р а ж е н и е

(1.1) является частным

случаем

соотношения

(1.3)

для

постоянного значения измеряемого поля.

функцию К(ри

Представим входящую в в ы р а ж е н и е

(1.3)

р2 , рз; т)

в виде

К(р\,

92,

РУ,

" ) = Л Г о Д ) ( Р ь

Р-2, Р У

"*),

(1-6)

где Ко дается формулой

(1.5). Тогда

равенство

(1.3)

можно

заме

нить

где

У' = К0У,

(1.7)

V = = 1оо1 I rfP> rfP2

I l Х

^ '

Р - ' РЗ'

"•) X

— СО

—со

Х Д ) ( / " | - Р 1 .

/ " 2 - Р г .

/ " в - Р з ;

t--)fc.

(1.8)

З д е сь формула (1.7) по

форме

совпадает

с формулой

(1.4),

од

нако входящая в нее величина получается из измеряемой

помо

щью преобразования

(1.8).

Пусть

А ' ( р ь р 2 , р 3 ;

^ ) = ^ o - r ^ < i » ( P i .

Р 2 . Рз; "0.

где А'о — постоянная

составляющая,

а А'ф — флуктуацноиная

состав

л я ю щ а я поля. Имеем

со

Y=X,+j

j j' dp, tfp2

rfp3

(p,,

P 2 l

p3;

— CO

— C O

XHQ{rx—

?,,

г., — p,,

r 3 — p3;

t —

t)dt,

т. е. сигнал на выходе датчика

т а к ж е

состоит в постоянной

флук-

туационной

частей.

Функция

Яо(р1, Р2, рз; т)

(различного

числа

переменных)

раз

ных областях науки называется различно: в теории электрических

цепей — импульсной реакцией,		в оптике — аппаратной					функцией,
в теоретической физике — функцией			Грина, в математике — весовой
функцией. В дальнейшем	будем	называть		ее аппаратной			функцией.
Математическая операция	(1.8)	над	функциями		X и	Н0	является
сверткой этих функций по четырем			переменным. Из			соотношений
(1.6) и (1.5) следует условие нормировки
со	со
j j J d p i d P i ^ P a j #o(pi . Р 2 , Рз"-				- 0 ^ =	1.
—со'	6

Итак, формула (1.8) описывает определение датчиком измери тельного прибора средневзвешенного значения измеряемой вели чины в некоторой части пространства за все прошлое (до момента измерения) время, причем весовая функция Я 0 ( р ь р2 , рз; т) зависит

<<< < Предыдущая 12 / 162 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ