Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №66 (февраль) 2019
Разделы: Науки о Земле
Размещена 05.02.2019. Последняя правка: 08.02.2019.

Метрологические особенности регистрации тонкой термической структуры океанологическими CTD-зондами

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Аннотация:
Оценивается влияние динамических характеристик современных CTD-зондов в задачах выявления тонкой термической структуры. Показано, что при использовании электронных принципов коррекции постоянной времени датчиков возможны значительные искажения результирующей передаточной функции измерительных каналов. Такие искажения возникают, например, при зондировании моря в условиях качки исследовательского судна. Показано, что для наиболее типичных значений постоянной времени датчиков искажения обычно наблюдаются в диапазоне периодов качки. Это приводит к регистрации ложных особенностей структуры.


Abstract:
The influence of dynamic characteristics of modern CTD-probes in the problems of fine thermal structure detection is estimated. It is shown that the use of electronic principles of correction of the time constant of the sensors can cause significant distortion of the resulting transfer function of the measuring channels. Such distortions arise, for example, when sounding the sea in the conditions of the research vessel's pitching. It is shown that for the most typical values of the time constant of the distortion sensors are usually observed in the range of pitching periods. This leads to the registration of false features of the structure.


Ключевые слова:
океанологические CTD-зонды; динамические свойства каналов температуры; коррекция динамических свойств; зондирование в условиях качки судна; искажения передаточной функции; погрешности выявления термической структуры

Keywords:
oceanographic CTD probes; the dynamic properties of the channels; temperature correction of dynamic properties; probing in terms of pitching of the vessel; the distortion transfer function; error detection thermal structure


УДК 551.46.0 

Введение.  Современные океанологические CTD-зонды используются не только для регистрации некоторых осредненных вертикальных профилей температуры и электрической проводимости, но также в задачах выявления тонкой термохалинной структуры толщи воды, особенно – в зоне пикноклина. При этом в экспериментах опираются на сообщаемые технические характеристики зондов, которые не всегда метрологически обеспечены. В нашей работе [2] рассматриваются современные технологические возможности сертификации измерительных каналов, и делается вывод о сомнительности декларируемых характеристик у ряда зарубежных зондов.

При выявлении тонкой структуры наибольший интерес вызывает такая характеристика как «постоянная времени» (иногда – «время реакции», «время отклика» и другие аналоги термина). Эта характеристика определяет динамические свойства измерительных каналов. Наибольшие значения «постоянной времени» обычно характерны для каналов измерения температуры. Для зондов: OS 200 CTD, Ocean Sensors, США; OS 300 CTD, Ocean Sensors, США; OS 500 TSG, Ocean Sensors, США, сообщается о постоянной времени в 0,02 с. Для зонда SBE 25, Sea-Bird Electronics, США, - 0,07 с. Для зонда SBE 911plus, Sea-Bird Electronics, США, - 0,065 с. В работе [2], во-первых, отмечается нереальность получения таких значений какими-либо конструктивными решениями, а во-вторых - нереальность их подтверждения.

Известны выпускаемые отдельно датчики температуры в морском исполнении. Можно выделить датчики  серии MBT-5560  фирмы DanfossA/S, Дания, для которых сообщается значение постоянной времени 10 с при классах защиты IP65/67 и при использовании платинового терморезистора номиналом 1000 Ом в качестве чувствительного элемента. Постоянная времени определялась для скорости потока 0,2 м/с. По-видимому, наименее инерционными можно считать датчики ESM-11 в защитном корпусе IP32, постоянная времени которых 3 с, а также датчики ESMU в корпусе IP54 ,  постоянная времени 2 с (та же фирма DanfossA/S, Дания).

Корпуса датчиков морского исполнения предназначены для защиты от агрессивной среды (морской воды) и от гидростатического давления. Анализ конструкций не входит в задачи данной работы – с принципами защиты можно ознакомиться в литературе, например, в монографии [3]. Особенностью корпусов является наличие металлического защитного цилиндра, внутрь которого в теплопроводную жидкость (обычно – масло) помещен чувствительный элемент (проволочный либо полупроводниковый терморезистор).  Наличие такого корпуса видно на фотографии зонда SBE 25, Sea-BirdElectronics, США [2].

Из всего этого следует, что декларируемые значения постоянных времени в 20-60 мс могут быть получены только электронным путем, т.е. пропусканием сигнала датчика через «ускоряющие» цепи.

Известны принципы коррекции (уменьшения) постоянной времени датчиков температуры, например, описанные в работе [6]. Их основой является использование «ускоряющих» RC-цепей. Функциональная схема одного из вариантов такой коррекции приведена на рис.1. Она заимствована из работы [6] с нашими обозначениями.

1.png

 Рисунок 1. Функциональная схема коррекции постоянной времени датчика температуры ТД.

 

Принцип коррекции состоит в последовательном включении датчика температуры с передаточной функцией Fтд (iω) и корректирующего звена с передаточной функцией

FК (iω). Поскольку у корректирующего звена уменьшается коэффициент передачи в статическом режиме до К-1, где К - коэффициент коррекции, то в схему дополнительно включен операционный усилитель ОУ с коэффициентом передачи, равным К.

Результирующая передаточная функция по напряжению получается следующей:

1.png,                                   (1)

где     ω - круговая частота;

          τe  -  постоянная времени датчика температуры;

           τК= R1C – постоянная времени корректирующей цепи;

           К= (R1+R2)/R-  коэффициент коррекции, а также коэффициентпередачи операционного усилителя ОУ.

Идеальный вариант коррекции – равенство постоянной времени датчика и постоянной времени корректирующей цепи, что обеспечивается подбором R1C. Это приводит к типичной передаточной функции системы 1-го порядка, но постоянная времени у которой будет уменьшена в К раз по сравнению с исходным значением.

Однако «постоянная» τe таковой (т.е. константой) не является и зависит от ряда факторов, основным из которых является скорость обтекания датчика водой, что, собственно, определяет его теплообмен с этой водой.

При зондировании моря задают вынужденную скорость – обычно 1 м/с.  В режиме свободного падения использовать зонды очень рискованно из-за возможного обрыва троса. Но скорость в 1 м/с не может оставаться постоянной, поскольку зондирование обычно производится в условиях качки судна. Например, при высоте волн 2 м и периоде  4 с зонд при подъема точки подвеса просто останавливается. Влияние различных сочетаний высоты и периода качки на появление ложных аномалий в термической структуре термоклина рассмотрено, например,  в работе [4].

Применительно к зондам, где осуществлена коррекция постоянной времени, формирование переменной скорости опускания с «остановками» означает появление существенных изменений τe. Известные экспериментальные данные, например, из работы [1], позволяют опираться на полуэмпирическое соотношение   Δτe~V-n , где V скорость, а коэффициент n примерно соответствует 0,5 при ламинарном обтекании и 0,6 при турбулентном.

Из-за этого в задачах выявление тонкой структуры может возникать ряд очень серьезных искажений. Наибольшую опасность здесь приобретает формирование режима «перекоррекции» (τК > τe).

Режим «перекоррекции» рассматривается в работе [6], но только для простейших случаев – скачкообразного входного сигнала и линейно изменяющегося сигнала. Различия задавались в виде коэффициента несовпадения, равного отношенияю τК к τe.

При морском зондировании входной сигнал имеет сложный спектральный состав, особенно в условиях качки, и целесообразно рассмотрение искажений полной передаточной функции вида (1). При этом для спектрального анализа, в частности, пространственного спектрального анализа наибольший интерес представляют искажения модуля передаточной функции, т.е. амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Это обусловлено известной связью между функциями спектральной плотности:

 2.png,                                                                                        (2)

 где индексы относятся к оценке спектральной плотности, полученным по результатам измерений  (R) и оценке истинной спектральной плотности (Т).

 

Искажения АЧХ каналов измерения температуры при  использовании коррекции. При выводе расчетных соотношений целесообразно опираться на выражение (1), в котором, естественно, сокращаются величины К и 1/К, но остаются неравными величины постоянных времени τe и τк .  Круговую частоту зададим в виде ω=αωс, где  ωс=Кe  – частота среза АЧХ, а α – переменный коэффициент.

После ряда преобразований получим следующее выражение для результирующей АЧХ:

 

3.png                           (3)

 Для случая идеальной коррекции выражение (3) сводится к виду:

 

4.png.                                                                                (4)           

 Результаты и обсуждение. Расчеты проводились для различных сочетаний постоянных времени и коэффициенте коррекции, равном 50. Значения τк соответствуют реально возможным значениям, полученным для датчиков, например – датчиков фирмыDanfossA/S, т.е. в квазистатическом режиме либо при очень малой скорости обтекания (это соответствует остановке зонда в условиях качки). Значения τe  соответствовали скорости зондирования 1 м/с. Круговая частота среза АЧХ задавалась как Кe .

 

Условия 1. На рис.1 приведены результаты расчетов АЧХ при значениях: К=50, τe=2 с, (τк - τe), равном  0,4 с и 0,8 с. Для наглядности использовалась нелинейная шкала коэффициента α. Круговая частота среза задавалась как ωс=Кe. В качестве основы для сравнения  рассчитана АЧХ при идеальной коррекции τкe=R1C.

Характер полученных кривых наглядно демонстрирует опасность «перекоррекции», которая возникает не из-за какой-либо ошибочной настройки, а только вследствие естественных вариаций скорости в пределах от 0 до 1 м/с при опускании зонда. Эта опасность состоит в формировании зон квазирезонансов в области частот пропускания АЧХ. Максимальное значение достигает примерно 1.4, что в соответствии с формулой (2) приводит к возрастанию функции спектральной плотности, рассчитываемой по результатам зондирования, практически в два раза.

Здесь следует отметить, что по данным зондирования обычно рассчитывается функция пространственной спектральной плотности. Преобразование уравнения динамического звена как функции времени в уравнение, как функцию расстояния, используется в работе   [5] и здесь не рассматривается. Следует лишь отметить, что в результате преобразования формируется константа при первой производной распределения температуры по вертикали (аналог постоянной времени), в которую входит значение скорости зондирования, тем самым, влияние скорости и ее вариаций на выявляемые характеристики тонкой структуры существенно возрастает.

 

2.png

 Рисунок 2 –  Модуль передаточной функции (АЧХ) в зависимости от α для расчетных условий 1. Обозначения:

1– при идеальной коррекции; 2 – при (τк - τe)=0,4 с; 3 – при (τк - τe)=0,8 с.

 

Погрешности значений АЧХ в зависимости от α приведены на рис.2 для тех же исходных условий. В области квазирезонанса погрешности возрастают до 0,37 относительных единиц (37 %), при этом остаются неизвестными реальные искажения ввиду отсутствия контроля скорости зондирования.

 

3.png 

 

Рисунок 3 –  Относительная погрешность АЧХ в зависимости от

значений α. Обозначения: 1 – при (τк - τe)=0,4 с; 2 – при (τк - τe)=0,8 с.

 

На рис. 2 и 3 добавлена шкала периодов. Значения Т рассчитывались по формуле:

 5.png  .                                                                                        (5)

       )

 Следует обратить внимание, что в зону выявленного квазирезонанса входят периоды, соответствующие периодам ветрового волнения и, соответственно, близкие к периодам качки судна. Такая «близость», а не равенство, обусловлена рядом факторов, основной из которых – скорость распространения волн. Судно не дрейфует с такой скоростью. В результате периоды качки получаются меньше периодов волнения.

Попадание в зону квазирезонансов означает, что при наличии даже небольшой стратификации вариации скорости зондирования приводят к появлению ложных неоднородностей («прослоек») на вертикальном профиле. Естественно, что наиболее сильно это будет выражено в термоклине.

 

Условия 2. При изменении условий: К=50, τe=1 с, (τк - τe), равном  0,4 с, формируется аналогичная область квазирезонансов (рис. 4). Эти условия соответствуют декларируемым для зондов серии OS, выпускаемых в США, где постоянная времени указана как 20 мс. Частота среза задавалась, как и ранее, ωс=Кe.

4.png

Рисунок 4 – Модуль передаточной функции (АЧХ) в зависимости

от α для указанных здесь расчетных условий. Обозначения:

1– при идеальной коррекции; 2 – при (τк - τe)=0,4 с.

 

Для использованных в п.2 условий полученные значения   Т в зоне квазирезонансов, как и следовало ожидать,  смещены в более короткопериодную область. Однако они по-прежнему включают периоды ветрового волнения и, соответственно – периоды качки.

При этом возрастает погрешность АЧХ (рис.5). Она достигает 42 % в точке максимума АЧХ.

 

 

Рисунок 5 – Относительная погрешность АЧХ для условий 2

при различных периодах, близки к периодам качки.

 

 Условия 3. Здесь рассматриваются условия, соответствующие датчикам серии MBT-5560  фирмы DanfossA/S, Дания. Коэффициент коррекции по-прежнему равен 50, постоянная времени цепи коррекции – τк=10 с, постоянная времени датчика при скорости зондирования 1 м/с – τe=5 с. Частота среза задана, как и ранее, ωс=Кe. Результирующая постоянная времени для идеальных условиях коррекции составляет 0,1 с.

Ожидаемым результатом является смещение искажений АЧХ (рис.6) в область увеличенных периодов, которые здесь включают не только периоды ветрового волнения, но и периоды волн зыби (левая ветвь АЧХ). Как правило, при реальных условиях работ в открытом море наблюдается сочетание обоих типов волн.

 

6.png 

 

Рисунок 6 – Модуль передаточной функции (АЧХ) в зависимости

от α для указанных в п.3 расчетных условий. Обозначения:

1– при идеальной коррекции; 2 – при (τк - τe)=5 с.

Нижняя шкала – периоды.

  

Погрешность АЧХ в области квазирезонанса достигает почти 100 %. На фоне ложных «прослоек», формируемых из-за подобной АЧХ, практически невозможно выделить «настоящие прослойки», если они имеются на вертикальном профиле.

 

7.png 

Рисунок 7 – Относительная погрешность АЧХ для условий 2

при различных периодах качки.

Обсуждение. Оценки искажений АЧХ здесь выполнены для нескольких условий, где за основу были взяты датчики температуры морского исполнения фирмы DanfossA/S, Дания. Их исходные динамические характеристики определялись либо в квазистатическом варианте (скачкообразный входной сигнал), либо при очень малой скорости обтекания. Постоянная времени цепи коррекции задавалась равной этим исходным характеристикам.

1. Из результатов расчетов видно, что, к сожалению, периоды качки  попадают в область квазирезонанса при различных вариантах условий. Соответственно, доверие к аномальным прослойкам, полу чаемым на термическом профиле, существенно снижается. Особенно сомнительными представляются данные с квазипериодическим распределением по глубине подобных прослоек, которые зачастую фигурируют в описаниях эффектов тонкой термической структуры.

2. Основная причина появления такого недоверия обусловлена отсутствием технической документации  по зондам,  поставляемым западными фирмами. Специалисты, проводящие экспериментальные исследования в море, вынуждены слепо доверять сообщаемым в рекламах техническим характеристикам. А эти характеристики либо просто декларативны, либо основаны  на использовании электронных «ухищрений», о которых ничего не сообщается.

3. Естественно, здесь рассматриваются модельные условия зондирования – изменения скорости заданы в пределах от нуля до 1 м/с. В реальности они намного сложнее. Например, при большей высоте волн (> 2 м) и том же периоде 4 с скорость при подъеме точки подвеса зонда будет вначале падать до нуля, а затем снова возрастать, т.е. будет формироваться вторая гармоника периода качки. Также здесь не рассмотрена ситуация, когда точка подвеса опускается, тогда скорость зонда превышает 1 м/с, вплоть до значения скорости свободного падения в воде.

В отмеченных ситуациях следует ожидать сложных нелинейных искажений регистрируемой тонкой термической структуры. Анализ этих искажений требуют отдельного рассмотрения.

Библиографический список:

1. Лазарюк А.Ю. Об инерционности датчиков температуры и электропроводности CTD-зондов //Океанология, 2008, том 48, № 6. – С. 936-939
2. Степанюк И.А., Степанюк А.И., Атаджанова О.А. Проблема метрологического обеспечения океанологических CTD-зондов //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». –– 2017. – № 49 (сентябрь). – С.117-129
3. Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи.– Л.: Гидрометеоиздат, 1986.– 272 с.
4. Степанюк И.А. Информационно-измерительные системы в океанологии.– СПб: Изд. РГГМУ, 1998. –90 с.
5. Степанюк И. А. Метрологические особенности определения вертикальных градиентов температуры при CTD–зондировании в море //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2018. – № 57 (май).– С. 201-204.
6. Шукшунов В.Е. Корректирующие звенья в устройствах измерения нестационарных температур.– М.: Энергия, 1970. –120 с.




Рецензии:

19.03.2019, 17:22 Галкин Александр Федорович
Рецензия: Статья продолжает цикл переработанных старых исследований автора. Новое-это хорошо забытое... Но, время сейчас такое. Надо публиковаться. Статья соответствует требованиям журнала. Научные результаты присутствуют. Рекомендуется к публикации.

20.03.2019 19:19 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Автор благодарен рецензенту за положительный отзыв о работе. С уважением И.А.Степанюк



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх