36.Научно-исследовательские суда

Научно-исследовательские суда. Основной функцией научно-исследовательских судов (НИС) являются сбор и первичная обработка информации о Мировом океане, атмосфере над ним, строении его дна, а также о флоре и фауне. Изучение Мирового океана связано с проведением дорогостоящих морских экспедиций. Важнейшим показателем эффективности использования НИС является объем информации, который может быть собран за время экспедиционного рейса.

37.Электромагнитный измеритель течений и температуры СТ-3 (фирма «Sea-Link System», США). СТ-3- одноосевой прибор с горизонтальной компоновкой, использующий электромагнитный принцип для регистрации скорости течения. Корпус измерителя имеет торпедообразную форму с хвостовым оперением и оригинальную жесткоосевую подвеску для установки его в разрыве троса АБС, обеспечивающую устойчивую горизонтальную ориентацию при наклонах несущего троса до ±35°. К недостаткам устройства можно отнести его относительную чувствительность к вертикальному компоненту течения, движениям несущего троса и случайным возмущениям потока. Инерция корпуса и большой вертикальный киль позволяют прибору механически суммировать высокочастотные изменения течения.

По обе стороны корпуса расположены электроды измерителя скорости. Внутри корпуса помещен постоянный магнит, устанавливающий в воде снаружи корпуса точно сориентированное магнитное поле. Движение воды в потоке вдоль оси измерителя создает разность потенциалов, пропорциональную скорости течения. Использование подобного метода позволяет проводить измерения в поверхностном слое, прибрежной зоне, а также в знакопеременных течениях, что невозможно выполнять даже наиболее широко используемыми приборами вертушечного типа.

Направление течения определяется с помощью феррозондового струйного компаса, когда струя потока проходит внутри корпуса по специальному каналу, что обеспечивает последовательно точную регистрацию направления прибора. Он улавливает ориентацию СТ-3 по отношению к магнитному полю Земли и преобразует это магнитное направление в электрический сигнал, доступный для записи.

Датчик температуры- термистор- контролирует внешнюю температуру воды и создает соответствующий электрический сигнал для записи параллельно другим данным. Точная временная привязка обеспечивается твердокорпусными часами на кристаллах, которые срабатывают в начале измерительного цикла. Время измерения составляет 1с.

Диапазон измерения скорости 0,03-3,0м/с, чувствительность 0,01м/с, относительная погрешность ±3%. Погрешность измерения направления ±5º, чувствительность ±2,8º. Температура измеряется в пределах -2...36ºC с погрешностью ±0,15ºC. Дискретность измерений устанавливается в пределах 1-225 мин с приростом в 1 мин. Магнитная память, рассчитанная на 15 300 отсчетов, и емкость щелочных батарей обеспечивают автономность работы прибора от одной недели до 6-8 месяцев. Масса измерителя 22,7кг, предельная глубина установки 5000м.

38.Метод Доплера и измерения течения

Оптические методы измерения скорости течения подразделяются на доплеровский и фазовый. Для измерения скорости потока и ее изменений во времени используется как искусственное, в виде лазерных или обычных электрических источников света, так и собственное излучение.

Доплеровский метод дает возможность получить частотное разрешение, что позволяет измерять скорости порядка мм/с. Он описывается уравнением:

.

После преобразования с учетом малости величин получим:

,

где f и f’- частоты излучения и принимаемого сигнала соответственно; U- скорость потока; c- скорость света; n- показатель преломления света; α- угол между вектором скорости и линией наблюдения.

Особенностью оптических измерителей является большая чувствительность к изменениям коэффициента преломления света, а значит, и к плотности морской воды. Оптические измерители, используя свою высокую частоту излучения, в принципе могут иметь достаточно высокие разрешающую способность и чувствительность, но относительная погрешность и различные паразитные эффекты аналогичны акустическим измерителям. Кроме того, в них еще возникают большие трудности регистрации и анализа изменяющихся по амплитуде доплеровских сигналов излучения. Следует заметить, что частотный диапазон в спектре течений оптических измерителей оказывается практически неограниченным.

Широко используются и акустические измерители характеристик течения, основанные на определении доплеровского сдвига частоты излученных колебаний. Эффект Доплера заключается в том, что отраженный от перемещающегося объема воды, содержащего в себе множество неоднородностей и различных включений, ультразвуковой сигнал имеет частоту, отличную от излучаемой. Доплеровские преобразователи включают в себя акустические излучатели (И) и приемники (П) с узконаправленными характеристиками. На пересечении акустических лучей и находится объем воды, от которого отраженный сигнал поступает на приемник. Считается, что рассеиватели в рабочем объеме воды, включая планктон, взвеси и газовые пузырьки, соизмеримы или больше по размеру длины волны (λ=0,15мм) и их число достаточно велико. Они стационарны относительно потока и перемещаются вместе с ним. Поэтому отраженный сигнал несет в себе информацию о скорости потока. Оптимальный диапазон частот в доплеровских измерителях лежит в полосе 2-10МГц.

Затухание сигнала на частоте 10МГц составляет 20дБ/м. Использование высоких частот позволяет повысить разрешающую способность измерителя, а также формировать узконаправленные акустические лучи, используя малогабаритные излучатели. Рабочий объем воды располагается на расстоянии 30—60см от излучателя, что исключает внесения искажений в рабочий объем воды корпусом прибора. Сигнал доплеровской частоты проявляется в виде амплитудной модуляции несущей частоты.

Рассматривая расположение датчиков, с учетом соотношения векторов скорости течения и распространения акустического сигнала, можно записать:

f_д=f^’-f=[(c+Ucosβ)/L₁-(c-Ucosβ)/L₂],

или

f_д=U(L₁+L₂)cosβ/(L₁L₂)-c(L₂-L₁)/(L₁L₂),

где f_д - доплеровский сдвиг частоты; f^’- частота принимаемого сигнала; f- частота излучаемого сигнала; β- угол между вектором скорости потока и направлением излучатель- приемник. Для реально достижимой точности L₁=L₂=L и при незначительных изменениях c можно считать:

c(L₂-L₁)/(L₁L₂)=0.

Отсюда:

f_д=(2U/L)cosβ,

т.е. скорость течения U однозначно определяется f_д.

Основным достоинством акустических преобразователей считается их высокие чувствительность и точность, а также безынерционность и надежность. Однако гидродинамический шум часто ограничивает применение акустических преобразователей особенно если пространственный масштаб измеряемых неоднородностей поля скорости соизмерим с масштабом турбулентных искажений, возникающих при обтекании измерителя. Акустические преобразователи позволяют измерять скорость течения в диапазоне 10^-2-5м/с; нелинейность во всем диапазоне составляет около 1%. Так как преобразователи практически безынерционны, они могут бытъ использованы для измерения как средних, так и пульсационных скоростей течения.