1.Электромагнитный метод измерений течений

Электромагнитный метод основан на том, что в потоке морской воды, пересекающем магнитные силовые линии, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения частиц воды относительно магнитного поля. Наведенную ЭДС(E), согласно закону Фарадея, можно выразить как:

E=BLUcosα·10^-8

где B- магнитная индукция; L- расстояние между электродами (база измерения); U- скорость движения воды; α- угол между направлением потока и магнитным полем.

В качестве магнитного поля используются как вертикальная составляющая магнитного поля Земли, так и искусственно созданное постоянное или переменное магнитное поле. Поскольку скорость распространения электромагнитных волн соизмерима со скоростью света, электромагнитные измерители скорости течения являются практически безынерционными, и их частотные свойства в верхнем диапазоне частот определяются в основном пространственной разрешающей способностью датчиков, т.е. в принципе с их помощью можно измерять средние и пульсационные значения скорости. При этом значение ЭДС определяется путем измерения разности потенциалов между двумя электродами, расположенными в магнитном поле по линии, перпендикулярной векторам магнитной индукдии и скорости потока.

При измерении течений в поверхностном слое воды можно использовать естественное магнитное поле Земли. В этом случае проводником, в котором индуцируется ЭДС, будет являться морская вода и одновременно участок кабеля между двумя неполяризующимися электродами, который буксируется за судном. Эту ЭДС можно представить как:

E=LUH_z,

где H_z- вертикальная составляющая магнитного поля Земли.

Истинные значения скорости и направления течения определяются по проекциям с судна на двух взаимно перпендикулярных галсах. Но этот метод, несмотря на свою простоту, не получил широкого распространения из-за трудности интерпретации результатов измерений. В подобных измерителях скорость течения и выходной сигнал связаны сложной зависимостью, в которой задействованы глубина, вертикальный профиль скорости, электропроводимость грунта дна (при небольших глубинах), положения буксируемых электродов. На результаты измерений также оказывают влияние и магнитные возмущения. Все эти факторы трудно поддаются учету. Точность таких измерителей обычно не превышает 20-30%.

Многие трудности можно преодолеть, если измерение скорости течения проводить в искусственном магнитном поле, индуцируемом катушками подмагничивания или создаваемом постоянным магнитом. Принципиальная схема подобных измерителей была предложена еще самим Фарадеем.

Использование постоянного магнитного поля осложнено поляризацией электродов, особенно при измерении низкочастотных составляющих потока. Применение переменного магнитного ноля позволяет избежать поляризации, а также использовать емкостные электроды, не имеющие непосредственного контакта с водой. Пороговая чувствительность подобных измерителей составляет 10^-3-3·10^-3м/с, а частотный диапазон охватывает несколько килогерц. Их динамический диапазон в основном зависит от гидравлической характеристики датчика, определяемой его формой.

Измерители с искусственным магнитным полем могут быть однокомпонентными и двухкомпонентными. Первые должны быть ориентированы по потоку. Вторые состоят из обтекаемого корпуса (шар, диск, цилиндр) из изоляционного материала, катушки возбуждения магнитного поля и двух пар электродов, расположенных с противоположных сторон. В случае, когда поток совпадает с линией, проходящей через два расположенных противоположно электрода, наведенная на них ЭДС равна нулю, а на двух других имеет наибольшее значение. Если поток направлен под углом к осям координат, проходящим через электроды, то ЭДС, измеряемая обеими парами электродов, будет пропорциональна проекциям модуля скорости и прибор позволяет измерять мгновенные значения скорости.

Аппаратура подобного типа позволяет производить измерения средней скорости течения в диапазоне 10^-2-10м/с, мгновенной скорости в диапазоне 10^-3-4·10^-1м/с в частотном диапазоне 1-40Гц. При уровне собственных шумов в пределах 8·10^-4м/с погрешность измерения составляет 3% при постоянной времени не более 1с. Основным препятствием к применению измерителей скорости течений, использующих переменное магнитное поле, является сравнительно большое потребление энергии.

2. Информационно-измерительная система фирмы. «Нейл Браун»

Приборы и устройства, предназначенные для исследования распределения по глубине одного или нескольких гидрофизических и гидрохимических параметров морской воды, обычно называют зондирующими гидрологическими системами.

Информационно-измерительная система фирмы. «Нейл Браун» (США) предназначена для измерения распределения по глубине температуры и удельной электропроводности морской воды, содержания растворенного кислорода, относительного содержания хлорофилла и отбора проб воды на заданных горизонтах. Система Нейл Браун состоит из:

- погружаемого устройства, на раме которого смонтированы СТД-зонд MARK-IIIB, кассета батометров Розетт, флуориометр Акватрака для измерения относительного содержания хлорофилла и датчик касания дна.

- гидрологический кабельный лебедки модели 2047 с одножильным кабель тросом Рочестер типа I-H-255 и кран-балки для вывода погружаемого устройства за борт.

- бортовой стойки (570х750х1750мм) для размещения блока питания и стабилизатора, терминала с цифровой регистрацией исследуемых параметров, блока управления кассетой батометров, магнитофона для первичной записи информации, процессора для расчета солености и управления печатью, цифропечатающего устройства, двухточечного двухконтактного самописца, приемника датчика касания дна с индикатором тока в кабель-тросе.

- вычислительного комплекса на базе персонального компьютера, снабженного графическим дисплеем, клавиатурой, двойным дисководом для мини-дисков, графическим принтером и четырехцветным плоттером.

СТД-система MARK-ΙΙΙB была разработана Н. Брауном. Система используется и в зондирующем и в буксируемом режимах. Благодаря прочному корпусу из нержавеющей стали возможно проводить измерения до глубины 6500м

СТД-система MK3C/WOGE была разработана еще под руководством Брауна. Эта система стандартная для исследований по программе WOGE

СТД-система JCTD фирмы General scientific. Основное отличие – использование датчика электропроводимости индукционного типа для улучшения эксплутационной надежности.

СТД-система 911 plus фирмы sea-bird electronics. Большое кол-во герморазъемов, насосная система.

СТД-система 316 PROBE фирмы indronaut (италия). Дополнительные датчики для определения содержания меди, кальция и угл газа.

Все эти СТД-системы могут работать с обычными батометрическими кассетами. По своим метрологическим характеристикам они в настоящее время являются своеобразным стандартом для океанологических исследований.

3.Термодинамический метод

Термодинамический метод основан на зависимости теплообмена между измерительным зондом и средой от значения скорости течения. В этом случае используется либо теплопередача от зонда к потоку (термоанемометр), либо от зонда к зонду через поток. Используется в основном для исследования пульсационных характеристик течений. Между зондом, введенным в поток, и водной средой устанавливается теплообмен, интенсивность которого в основном зависит от скорости течения. Впервые эта зависимость была использована для прибора, измеряющего скорость ветра (термоанемометр Кинга, 1913г.). Затем принцип теплообмена был использован для измерения скорости водного потока.

Наибольшее распространение в океанологической практике нашли проволочные, пленочные и гидрорезисторные термоанемометры. В качестве чувствительного элемента (ЧЭ) проволочного датчика используется тонкая (диаметром 2-10мкм) нить из платины или сплава платины с иридием и вольфрамом. По принципу работы различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. В первых приборах электрический ток поддерживается постоянным, при этом температура, а следовательно, и электрическое сопротивление изменяются в зависимости от импульсационной скорости. Во вторых- постоянными остаются температура, а значит, и сопротивление, при этом изменяющейся величиной является электрический ток. Здесь ЧЭ можно включить в мостовую схему. Второй способ наиболее распространен в океанологии.

В поток помещают ЧЭ в виде нити и пропускают через него ток, нагревающий его. В потоке нить охлаждается в зависимости от скорости потока, что изменяет ее электрическое сопротивление.

В современных термоанемометрах вместо проволоки широко используется платиновая пленка, наносимая тонким слоем на подложку из кварцевого стекла в виде конуса или клина. Протекаемый через пленку ток, поддерживаемый постоянным, нагревает ее и создает определенную разность температур между датчиком и окружающей средой. В воде эта разность обычно составляет 10-20°C. Термоанемометры пленочного типа отличаются малым уровнем шумов. Среднеквадратический уровень шумов, приведенный к единице скорости, в диапазоне частот от 1 до 250Гц составляет 12·10^-5м/с.

В другом типе термоанемометрического измерителя используется гидрорезисторный датчик, ЧЭ которого является объем воды, заключенный между центральным (точка диаметром 0,5мм) и кольцевым (диаметр до 9мм) электродами. Электроды расположены на полусферической поверхности и включены в схему измерительного генератора, обеспечивающего передачу через пространство между электродами мощности, достаточной для нагрева измерительного объема. Этот объем нагревается непрерывно, и изменение температуры некоторого эквивалентного объема воды вблизи точечного электрода вызывает соответствующее изменение электропроводимости. Изменение добротности измерительного генератора при флуктуациях электропроводимости объема воды между электродами модулирует амплитуду напряжения на выходе измерительного генератора. Таким образом, амплитудная модуляция этого напряжения содержит в себе информацию о скорости набегания потока на ЧЭ датчика, включая пульсации набегающего потока. Минимальный размер пульсаций, измеряемых подобной аппаратурой, составляет около 2·10^-3м/с. Подобный датчик обладает широким частотным диапазоном (1-1000Гц). Подобно термоанемометрическим измерителям с пленочным ЧЭ, гидрорезисторные датчики помимо пульсаций скорости потока одновременно могут измерять пульсации температуры и в меньшей степени пульсации электропроводимости.

Приборы подобного типа могут измерять скорости течений в широких пределах от 0,01 до 0,15м/с с погрешностью 2-5%, а их информативность в принципе не зависит от средней скорости потока. К недостаткам термоанемометров следует отнести нелинейность градуировочной характеристики; влияние геометрических размеров датчиков на результаты измерений; зависимость результатов измерений от коррозии, обрастания, поляризационных эффектов и тому подобных причин, что снижает надежность термоанемометров и ограничивает иногда до нескольких часов время их использования.