Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов и средств измерений скорости течения .. 19
1.1 Общие сведения 19
1.2 Вертушечные измерители течения... 19
1.3 Электромагнитные измерители течения 22
1.4 Акустические импульсные измерители течения 23
1.5 Акустические доплеровские измерители течения 24
1.6 Акустические доплеровскиепрофилографы течения 26
1.7 Термогидрометрические измерители скорости течения 29
1.8 Электрохимические методы измерения скорости течения 30
1.9 Методы и средства поверки измерителей скорости течения 30
1.9.1 Общие сведения 30
1.9.2 Тележка в гидрологическом бассейне 32
1.9.3 Поверка АДПТ 34
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Модели объекта и условий измерений 38
2.1 Общие сведения 38
2.2 Модель объекта измерений 39
2.2.1 Скорость водного потока 39
2.3 Модель условий измерений 40
2.3.1 Доплеровский сдвиг 40
2.3.2 Соленость 41
2.3.3 Температура 45
2.3.4 Скорость звука 45
2.3.5 Плотность 47
2.3.6 Поверхностное волнение 49
2.3.7 Затухание звука 50
2.3.8 Неоднородности плотности 52
2.3.9 Концентрация пузырьков 52
2.3.10 Звукорассеивающие слои 54
2.3.11 Шумы океана 55
2.3.12 Коэффициент отражения 55
2.3.13 Структурирование модели объекта измерения 56
2.3.Ї4 Формализация моделей объекта и условий измерения 60
Выводы по главе 2 63
ГЛАВА 3. Описание модели средства измерения 64
3.1 Введение 64
3.2 Принцип действия акустического допл еровского профи л ографа 65
3.3 ЦИКЛ работы профилографа 67
3.4 Описание измерительного канала АДПТ 68
3.4.1 Зондируемый акустический сигнал 68
3.4.2 Прохождение сигнала по измерительному каналу 68
3.4.3 Методы обработки отраженного акустического сигнала 74
3.4.4 Коррекция результатов измерения 75
3.5 Характеристики АДПТ 77
3.5.1 Дистанция зондирования 77
3.5.2 Среднеквадратическая погрешность измерения скорости течения 78
3.5.4 Особенности применения АДПТ на двигающемся судне 78
3.5.5 Классификация акустических доплеровских измерений 79
3.5.6 Формализация модели средства измерения 80
ГЛАВА 4. Анализ методических погрешностей средства измерения 81
4.1 Описание составляющих погрешности из-за неадекватности моделей, используемых при измерениях 82
4.1.1 Обобщенная процедура метрологического анализа суммарной погрешности измерения 82
4.1.2 Процедура метрологического анализа в обобщенном виде 85
4.1.3 Погрешность неадекватности, вызванная отклонением прибора от вертикали 87
4.1.4 Погрешность неадекватности, вызванная вертикальными перемещениями профилографа 88
4.1.5 Погрешность неадекватности, вызванная ошибкой в расчете скорости 89
4.1.6 Погрешность неадекватности, вызванная несоответствием доплеровского сдвига несущей частоты реальной скорости течения 91
4.1.7 Погрешность неадекватности из-за усреднения скорости и направления течения по слоям 92
4.1.8 Погрешность недаекватности, вызанная ошибкой при вычитании скорости судна из измеренного профиля 93
4.1.9 Погрешность недаекватности из-за привязки результатов измерения к географическим координатам 95
4.1.10 Суммарная погрешность неадекватности, вызванная отличием принятой в профилографе модели условий измерений от реальных условий измерений 95
4.2 Расчетное оценивание характеристик погрешности неадекватности 97
4.2.1 Общие сведения 97
4.2.2 Формирование вектора условий измерений 98
4.2.3 Алгоритм оценки уровня погрешности неадекватности моделей 102
4.2.4. Пример оценки суммарной погрешности неадекватности 102
4.3 Расчетное оценивание значения погрешности неадекватности при различных условиях измерений 109
4.4 Исследование достоверности расчетного оценивания характеристик погрешности неадекватности 117
4.4.1 Общие положения 117
4.4.2 Исследование достоверности расчетного оценивания 121
Выводы по главе 4 '. 130
ГЛАВА 5. Программная реализация 131
5.1 постановка задачи 131
5.2 обоснование выбора программного средства 132
5.2.1 Общие сведения 132
5.2.2 Пакет LABVIEW 6.1 133
5.2.2 Пакет MATLAB г. 134
5.2.3 Пакет STATISTIC А 135
5.2.4 Пакет STADIA 136
5.2.5 Язык программирования Visual Basic Aplication (VBA) 136
5.2.6 Выбор программного средства 137
5.3 Описание программных модулей на LABVIEW 6.1 138
5.3.1 Генерация акустического сигнала 138
5.3.2 Вычисление погрешности измерений 141
5.4 Описание программных модулей на vbа 144
5.5. Блок-схема программы 149
Выводы по главе 5 152
Заключение 153
Список литературы
- Акустические импульсные измерители течения
- Скорость водного потока
- Описание измерительного канала АДПТ
- Погрешность неадекватности, вызванная вертикальными перемещениями профилографа
Введение к работе
Актуальность проблемы. Измерение скорости и направления течения водного потока является важной задачей для всех отраслей техники, связанных с морем. Приборы для измерения скорости течения используются в гидростроительстве, океано логии, морской геологии, судостроении, мореплавании, военно-морском флоте. В настоящее время для проведения комплексных океанологических исследований широкое применение получили акустические доплеровские профилографы течения (АДПТ), которые позволяют бесконтактным методом измерять профиль векторов скоростей течения. Принцип действия АДПТ основан на измерении доплеровского сдвига частоты акустического эхосигнала, отраженного от неоднородно стей плотности морской среды. Эхоситяал возникает в результате наклонного зондирования АДПТ водной среды океана. Как правило, в АДПТ используются четыре излучателя, формирующие четыре луча гидроакустического зондирования водной среды под углом 20-30 град. В результате обработки эхосигналов, отраженных от нескольких лучей, получают информацию о проекциях горизонтальных составляющих вектора скорости течения с разбивкой их по слоям на дистанции порядка 1 км. Расположение слоев по глубине определяется по временной задержке приема отраженного от данного слоя сигнала. АДПТ могут применяться в составе буйковых океанических станций, на борту кораблей и других, движущихся подводных и надводных объектов для получения полноценной оперативной информации об основных характеристиках гидрофизических полей.
Но несмотря на все их достоинства, в нашей стране приборы этого типа» не нашли широкого распространения. Это обусловлено отсутствием отечественных производителей этой техники и национальных стандартов сертификации зарубежной. Принятая в настоящее время в нашей стране методика метрологической аттестации средств измерения скорости водного потока основана на поверочная схеме, предполагающей их испытания в линейном гидрологическом бассейне, принципиально не пригодном для работы акустических приборов. Ситуация осложняется еще и тем, что качество измерений, проводимых с помощью АДПТ, в существенной мере зависит от условий измерений, которые в океане могут изменяться в широком диапазоне. Для исключения влияния отличий принятой в АДПТ математической модели условий из-
мерений от реальных условий измерений в приборе предусмотрен ряд процедур коррекции. Однако проведенные модельные исследования показали, что эти процедуры позволяют лишь незначительно снизить уровень методических погрешностей.
В этой связи крайне актуальной становится задача исследования метрологических характеристик АДПТ, которое с одной стороны опиралось бы на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока, а с другой учитывало физические принципы условий измерений.
Однако отсутствие в нашей стране и за рубежом достаточного объема экспериментального материала по работе АДПТ в натурных условиях делает крайне затруднительным создания приемлемой и адекватной метрологической модели данного средства измерения, которая могла бы лечь в основу необходимой системы их аттестации. С целью преодоления данной проблемы, предлагается исследование метрологических характеристик АДПТ с учетом условий измерений, что и определяет актуальность настоящего исследования.
Цель исследования.
Диссертация посвящена исследованию метрологических характеристик АДПТ. Целью является повышение эффективности измерений проводимых с помощью АДПТ. Для достижения поставленной цели необходимо провести исследование погрешности неадекватности модели зависимости измеряемой величины от входных воздействий.
Задачи исследования.
Разработать математические модели объекта, условий и средства измерений и выделить из них наиболее значимые параметры для решения поставленной задачи;
Систематизировать анализ погрешности неадекватности, вызванной отличием принятой в АДПТ модели условий измерений от реальных условий измерений;
Разработать алгоритмическое обеспечение количественной оценки погрешности неадекватности модели зависимости измеряемой величины от входных воздействий;
Реализовать алгоритмическое обеспечение и математические модели на программном средстве;
Провести имитационное моделирование и получить количественную оценку погрешности неадекватности модели зависимости измеряемой величины от входных воздействий.
Новые научные результаты.
Разработаны математические модели, описывающие предметную область акустических измерений, позволяющие проводить имитационное моделирование процедуры измерения акустического доплеровского профилографа скорости течения.
Предложено формальное описание суммарной погрешности измерения АДПТ.
Разработано алгоритмическое обеспечение, позволяющее проводить количественную оценку погрешности неадекватности модели зависимости измеряемой величины от входных воздействий.
На защиту выносятся:
Предложенный состав математических моделей, описывающих предметную область акустических измерений;
Математическое обеспечение анализа влияния на результат измерения неадекватных моделей зависимости измеряемой величины от входных воздействий;
Математическое обеспечение метрологического анализа результатов измерения скорости течения с помощью АДПТ.
Практическая ценность.
Разработанное алгоритмическое обеспечение позволяет оценивать уровень погрешности неадекватности в зависимости от значений параметров условий измерений, как при проведении имитационного моделирования, так и в натурном эксперименте. Это дает возможность в максимальной степени учитывать влияющие факторы и, следовательно, адекватно оценивать качество получаемого материала наблюдений при измерениях с помощью АДПТ.
Сформулированы рекомендации к проведению процедуры измерения с помощью АДПТ, позволяющие снизить значение погрешности неадекватности.
Описанные математические модели и разработанные на их основе программные продукты могут позволить в будущем составить основу для создания методики аттестации АДПТ и помочь в создании национальной методики метрологической аттестации для выполнения операции сертификации,
Разработанные программные средства способны моделировать весь диапазон условий измерений типовых АДПТ, что позволяет дополнить экспериментальную часть процедуры аттестации таких приборов, проводимую в нормальных условиях измерений, тестированием их работы при моделировании реальных океанских условий.
Практическая реализация результатов.
1, Полученное алгоритмическое обеспечение может применяться при проведении
натурного эксперимента, как предварительная оценка уровня погрешности неадек
ватности, с целью принятия решения о необходимости уточнения априорных знаний
о значениях параметров условий измерений.
2. Алгоритм оценки погрешности неадекватности может применяться при проведе
нии измерений в автономном режиме для введения поправки в результат измерения.
В этом случае программное средство, на котором реализован алгоритм, получая ин
формацию от дополнительных датчиков, может вводить поправку в результат изме
рения, которая будет учитьшать конкретные значения параметров математической
модели условий измерений.
Обоснованность и достоверность результатов.
Достоверность исходных данных обеспечивается использованием официальных государственных справочных изданий, применением известных методик обработки и оценивания результатов. Результаты, изложенные в настоящей работе, получены при использовании математических методов, уже долгое время применяющихся и упомянутых во многих опубликованных работах. Достоверность полученных результатов в работе оценивается численно.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались и обсуждались на:
Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2001, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭ-ТИ», Санкт-Петербург, 2001 год;
Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2002, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭ-ТИ», Санкт-Петербург, 2002 год;
Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM2O03, Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭ-ТИ», Санкт-Петербург, 2003 год;
Седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» ГА-2004, ЦНИИ «Морфизприбор», Санкт-Петербург, 2004 год.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 7 печатных работ: 4 публикации - тезисы докладов на международных конференциях; 3 публикации - статьи, одна из которых в реферируемом издании.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований. Основная часть работы изложена на 150 страницах машинописного текста. Работа содержит 21 рисунок и 28 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы и на основе анализа современного состояния вопроса сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, представлены основные положения работы, выносимые на защиту. Описана структура диссертации.
В первой главе сформулировано определение понятия скорости течения водного потока и рассмотрены существующие методы и средства измерения скорости течения; механические, акустические, электромагнитные, акустические доплеровские, а также ряд специальных (электрохимические, термогидрометрические). Описан принцип функционирования некоторых средств измерений, отмечены достоинства и недостатки различных методов измерения скорости течения. Особое внимание уделяется акустическим доплеровским профилографам течения, которые являются наиболее отвечающими современным тенденциям развития и создания измерителей скорости течения. Описываются существующие способы поверки различных измерителей течения. На основании проведенного анализа делается вывод, что принятая в настоящее время в нашей стране методика метрологической аттестации средств измерения скорости водного потока основанная на поверочная схеме, предполагающей их испытания в линейном гидрологическом бассейне, принципиально не пригодна для работы акустических приборов. В этой связи крайне актуальной становится задача разработки научно—методических основ такой системы аттестации, которая с одной стороны опиралась бы на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока, а с другой — отражала физические принципы новой техники для таких измерений. В связи с этим исключительно важным является тщательный анализ параметров условий измерений при исследовании метрологических характеристик акустического доплеровского профилографа течения.
Во второй и третьей главах исследуется предметная область акустических измерений. Исследования основываются на трех физико-математических моделях: объекта, условий и средства измерения. За основу моделей объекта и условий измерений была взята классическая акустическая модель Мирового океана. Из нее методами анализа иерархий были выделены наиболее значимые факторы, влияющие на процесс формирования отраженного акустического сигнала. К наиболее значимым параметрам математической модели условий измерений были отнесены следующие; коэффициенты затухание звука на разных горизонтах, изменения отражающих свойств среды, связанные с изменением плотности, уровень собственных шумов океана, вертикальные профили скорости звука, температуры, и солености морской воды, величина доплеровского сдвига частоты, уровень поверхностного волнения, К параметрам математической модели средства измерения: частота зондируемого сигнала, дальность зондирования, ширина слоя, углы ориентации зондирующих акустических лучей и их количество, метод обработки сигнала.
В четвертой главе проводится качественный и количественный анализ компонент суммарной методической погрешностей. Проводится расчетное оценивание характеристик методической погрешности вызванной отличием модели условий измерений принятой в АДПТ от реальных условий измерений. В конце главы исследуется достоверность расчетного оценивания при различных уровнях неадекватности параметров модели.
В пятой главе описываются программные средства, разработанные на основе описанных в третье и четвертой главах физико-математических моделях, с помощью которых проводилось компьютерное моделирование условий измерений. В начале главы проводится анализ существующих программных средств, с помощью которых возможна реализация описанных математических моделей, рассматриваются следующие программные средства: LAB VIEW,' MATLAB, STADIA, STATISTICA, Visual Basic Application (VBA), Подробно рассматриваются вопросы проектирования виртуальных измерительных средств с помощью пакета LAB VIEW 6.1 американской фирмы National Instruments. Описываются программные модули, разработанные на LAB-VIEW 6.1 моделирующие отраженный акустический сигнал, условия измерений, а также функции, реализованные в VBA проводящие расчетное оценивание характери-
стик методической погрешности. В заключение главы приводится краткое пользовательское руководство по этим программам.
В заключении подводятся итоги проведенного исследования, отмечаются наиболее важные в работе моменты. В сжатой форме приводится результаты, полученные на различных этапах работы н в конце окончательные результаты исследования.
Акустические импульсные измерители течения
Работа акустических импульсных ИСТ основана на эффекте изменения скорости распространения колебаний в водной среде в зависимости от скорости движения среды. Скорость течения определяется по разности фаз между излученным и принятым акустическим сигналом, возникающей при прохождении фиксированного расстояния между передатчиком и приемником этих сигналов. Данный фазовый сдвиг однозначно связан с искомой скоростью У следующим соотношением [46] где 9V - разность фаз между излученным и принятым акустическим сигналом; С — скорость распространения акустического сигнала в воде; d — расстояние между передатчиком и приемником; Fs — частота излучаемого сигнала.
В измерителях такого типа применяют двухкомпонентные или трех-компонентные датчики скорости. Для исключения влияния асимметрии конструкции датчика на результаты измерения, каждый из излучателей одновременно является и приемником.
Американская фирма Falmouth Scientific, Inc. выпускает две модели акустических импульсных ИСТ: 2D АСЫ, имеющую двухкомпонентный датчик (основные характеристики приведены в таблице 1.1), и модель 3DACM, с трехкомпонентным дат 24 чиком, имеющим возможность измерения вертикальной составляющей скорости течения. Выпускается также трехкомпонентный измеритель скорости течения 3D Wave/Current Meter, который может измерять через орбитальную скорость движения водного потока волнение в приповерхностном слое.
Погрешность результатов измерения с помощью акустических измерителей скорости течения в существенной мере зависит от параметров окружающей среды. Установлено [46], что в зависимости от температуры от -2 до 40 С прибор может давать погрешность в измерении скорости течения ±10 %; в зависимости от давления на глубинах до 6000 м - ±6 %; солености от 10 до 40 %о - ±2 %,
Акустические импульсные ИСТ могут применяться: на дрейфующем судне, на неподвижных основаниях и донных станциях. Принцип действия позиционных акустических доплеровских измерителей течения основан на эффекте Доплера [111]. Приборы этого типа измеряют среднее значение скорости водного потока на расстоянии до 0,5 м от места расположения датчика.
Выпуск акустических доплеровских измерителей течения освоен фирмой Aanderaa Instruments, к ним относятся модели RCM II и RCM-9 Мк2 (см. рис. 1.3). Первичный преобразователь представляет собой четыре пьезокерамических антенны,
Измеритель скорости течения RCMII. расположенных под углом 90 друг к другу и работающих попеременно на излучение и прием акустического сигнала. По значению доплеровского сдвига отраженного сиг 25 нала определяется скорость течения. Направление вычисляется через ортогональные составляющие вектора скорости течения, положение которых и, собственно, корпуса прибора относительно геомагнитного поля определяется с помощью магнитного компаса. Также в состав RCM 11 входит двухкомпонентный датчик наклона для внесения коррекции в результаты измерения при отклонении прибора от вертикали, это дает возможность использовать прибор при углах наклона до 35. Также вводится поправка в результаты измерения учитывающая изменение скорости звука. Обе модели измерителей выполнены в форме цилиндров.
Приборы этого типа могут применяться: на дрейфующем судне, в составе автономных буйковых станций, а также на неподвижных основаниях, платформах и донных станциях. Таблица 1.1. Технические характеристики позиционных измерителей течения. Параметр Зеюпор-2 RCM7 RCM11 S-/ FSI2DACM Диапазон измерений скорость, см/с 1,5-150 2-295 0-300 0-750 0-300 направление 0-360 0-360 0-360 0-360 0-360 Погрешностьизмерении скорость ±5% ±1 см/с ±0,15 см/с ±1 см/с ±1 см/с направление ±3 ±5 ±5 ±2 (±4)] ±2 Разрешение скорость, см/с - - 0,3 0,03-0,43 0,01 направление - 0,35 0,35 0,5 0,01 Порог троганья 0,1 см/с ±2 см/с - - Глубина погружения, м 2000 6000 6000 6000 7000 Габариты, мм 400x90 495x128 595хф128 355і 600x350 Вес в воздухе (в воде), кг 5,0 25,8 (18,3) 26,5 (18,0) 34,5 (10,5) 18,1 (12,1)
Срок автономной работы, дн. 360J 214" 220" 1200 ч/ Дополнительные датчики Т,Р Т,С,Р Т, С, Р, м нет Т, С, Р, м 1Щъ отклонениях прибора в пределах 15-25; Диаметр; 3Интервал измерений 1 час; 4Интервал измерений 10 мин; 5В режиме непрерывной работы. Т- датчик температуры, С — датчик электрической проводимости воды, Р - датчик давления, Ы - датчик мутности. 1.6 АКУСТИЧЕСКИЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ ПРОФИЛОГРАФЫ ТЕЧЕНИЯ
В последние годы в практике океанологических исследований широкое применение находят акустические доплеровские профилографы течения. Эти приборы, в отличие от ранее описанных, дают информацию о вертикальном профиле скорости движения воды [61, 109].
Принцип действия АДПТ основан на измерении величины доплеровского сдвига частоты. В приборе реализован с помощью импульсного зондировании водной толщи снизу вверх или сверху вниз двумя или более акустическими лучами наподобие эхолота. Сигналы, отраженные от неоднородностей в водной толще, несут информацию о скорости течений в виде доплеровского сдвига несущей частоты излучения. Каждый из ортогональных лучей измеряет соответствующую проекцию горизонтальной составляющей вектора скорости течения с разбивкой по слоям на дистанции до 1 км1. Дистанция до слоев определятся по временной задержке. Скорость течения линейно зависит от величины доплеровского сдвига несущей частоты излученного сигнала и определяется по формуле
где V — скорость течения; С — скорость распространения акустического сигнала в воде; FD - доплеровский сдвиг частоты; Fs — излучаемая частота; А - угол между осью
акустического луча и вектором скорости течения.
В настоящее время производство акустических профилографов течения освоено несколькими крупными фирмами, среди которых ведущими производителями по праву можно считать две американские фирмы: SonTek и RD Instruments, из которых последняя является пионером в создании акустических доплеровских профилографов, ее образцы появились на рынке первыми в 1985 году (см. рис. 1.4).
Скорость водного потока
Принцип действия АДПТ заключается в импульсном зондировании водной толщи снизу вверх шш сверху вниз двумя или более остронаправленными лучами наподобие эхолота. Сигналы, отраженные от неоднородностей воды различно удаленных слоев, несут в себе информацию о скорости течения, плотности отражателей и дальности до слоев в виде соответственно доплеровского сдвига частоты, амплитуды и временной задержки. Эффектом Доплера (1803-1853) называется изменение частоты волны при переходе от одной системы отсчета к другой [28, 67]. Скорость течения линейно зависит от величины доплеровского сдвига несущей частоты излученного сигнала и определяется по формуле V = CF , (2.6) 2FS cos А где V - скорость течения; С - скорость распространения акустического сигнала в воде; FD - доплеровский сдвиг частоты; Fs - излучаемая частота; А - угол между осью акустического луча и вектором скорости течения.
АДПТ измеряет характеристики акустического сигнала (частота, амплитуда, временная задержка) отраженного от неоднородностей воды, таким образом, измере ния являются косвенными. Носителем измерительной информации является принимаемый акустический сигнал, который в процессе прохождения водной тоящи меняет свои характеристики, на основании этого изменения вычисляется скорость течения воды. Выделение слоев в профиле при каждом зондировании осуществляется на основе временного разделения отраженных сигналов, время появления которых с учетом известной величины скорости распространения зондирующего сигнала может быть отнесено к конкретному горизонту наблюдений. Направление скорости течения определяется, через ортогональные составляющие вектора скорости течения.
Подвергая анализу пришедший сигнал, на основе имеющихся данных об известных параметрах условий измерений (коэффициенты затухание звука, изменения отражающих свойств среды, связанные с изменением плотности, уровень собственных шумов океана и другие параметры) мы вычисляем неизвестный параметр - скорость и направление течения воды. Таким образом, измерения являются совместными, так как требуют знания дополнительных параметров. От тщательности анализа априорных знаний об океане зависит адекватность акустической модели океана и как результат - качество проводимых измерений [19, 92, 93].
Под соленостью океана подразумевается относительное содержание в океанской воде всех растворенных в ней минеральных солей. Таким образом, соленость является безразмерной величиной и обычно выражается в тысячных долях - промилле (%с) [90].
Согласно рекомендациям стандарта РФ ГСССД 77-84, ЮНЕСКО, международного комитета по исследованию моря и ряда других международных организаций для определения солености морской воды по результатам измерения CTD-систем должна использоваться Шкала практической солености 1978 (ШПС-78).
Практическая соленость, обозначается символом 5 и определяется как функция относительной электропроводности при 15 С проб морской воды по отношению к эталонному раствору КС1
S = 0,0080-0,1692 2 + 25,3851 .« +14,0941 -7,0261 +2,7081/ , (2.7) где 5=8(5,15,0)/8( 67,15,0): (5,15,0) - удельная электропроводность воды при 15 С и атмосферном давлении пробы приготовленной из нормальной морской воды методом разбавления по массе дистиллированной водой или выпариванием; Х(КС1,15,0) - удельная электропроводность стандартного раствора КО при 15 С и атмосферном давлении (неизвестная точно, но постоянная величина); 2 5 42. Следовательно, любые пробы морской воды, имеющие одну и ту же относительную электропроводность Rj , будут иметь одинаковую практическую соленость. Абсолютная соленость связана с практической соотношением SA=a+bS, (2.8) где коэффициенты а и b зависят от ионного состава морской воды.
Для нормальной морской воды а = 0 и Ъ-1,0049 ±0,0003; любые уточнения этих коэффициентов должны приводить к изменению 5А, не изменяя практическую соленость S. Значение коэффициента а может приниматься равным нулю с незначительной погрешностью практически для всех океанических водных масс.
Описание измерительного канала АДПТ
Частота заполнения зондируемого акустического сигнала при проведении измерений с помощью АДПТ выбирается в зависимости от режима измерения, устанавливаемого оператором. В различных моделях профилографов частота заполнения лежит в диапазоне от 75 до 3000 КГц. Спектральная огибающая такого сигнала описывается функцией типа уС. , имеет форму колокола с боковыми лепестками при ширине основного лепестка AF - = 30 Гц.
Широкий разброс рабочих частот профилографа обусловлен тем обстоятельством, что с одной стороны коэффициент отражения от неоднородностей практически не зависит от частоты, а с другой стороны - поглощение звука и уровень шумов моря резко зависят от частоты.
Излучаемая импульсная мощность акустического сигнала должна быть достаточно большой, чтобы превысить при приеме уровень шумов моря, который на низких частотах резко возрастает. Маломощные импульсы, как правило, применяются в автономных приборах в целях энергосбережения. В различных моделях АДПТ мощность излучаемых импульсов находится в пределах от 2 до 150 Вт.
Процедура зондирования состоит из трех основных этапов: - формирование акустического зондирующего сигнала; - временной интервал успокоения антенны; - прием отраженного акустического сигнала.
Наличие интервала, разделяющего этапы передачи и приема акустического сигнала, приводит к появлению у АДПТ зоны неопределенности в части профиля скорости течения находящейся в непосредственной близости от излучателя. Зона может составлять расстояние порядка одного метра от излучателей, в ней скорость течения ос 69
тается неизвестной. Для измерения скорости течения на малых расстояниях от излучателя выпускаются специальные профилографы, принцип действия которых также основан на эффекте Доплера, но они имеют ряд конструктивных и алгоритмических отличий.
Отраженный акустический сигнал обладает следующими свойствами: — шумоподобная структура сигнала с гауссовскими характеристиками стационарного случайного процесса; — относительно низкий уровень энергии; - большое затухание (до 140 дБ) и малый коэффициентом обратного отражения зондирующего импульса; - низкий уровень сигнала по отношению к шумам в конце дистанции зондирования, порядка -6 дБ; При этом к точности измерения частоты догшеровского сдвига предъявляются высокие требования - 1 Гц, соответствующие порогу чувствительности по скорости течения 1 см/с. Принимаемый сигнал непрерывен по информативному параметру, то есть может быть определен в любой момент времени существования сигнала. С точки зрения математического моделирования, сигнал представляется в виде суммы сигнала измерительной информации - квазидетерминированная составляющая и помехи - случайная составляющая. Отраженный акустический сигнал имеет несколько расширенный спектр по сравнению со спектром зондирующего сигнала. Помимо этого отраженный сигнал содержит в себе доплеровский сдвиг несущей частоты. Для нахождения догшеровского сдвига профилограф измеряет среднюю частоту энергетического спектра сигнала. Отраженньш сигнал поступает в акустический приемник. Акустический приемник выполняет следующие функции: - выполняет фильтрацию принимаемого сигнала в заданной полосе частот и его уси ление до требуемого уровня; — осуществляет регулировку коэффициента усиления в соответствии с естественным законом затухания сигнала в среде с помощью системы раздельно временной и авто матической регулировок усиления; - преобразует принимаемый сигнал в сигнал промежуточной частоты методом гетеро дарования; - усиливает и фильтрует сигнал промежуточной частоты.
Далее сигнал поступает в блок предварительной обработки. Он выполняет следующие функции: - дополнительную фильтрацию сигнала на промежуточной частоте; - дополнительное усиление сигнала промежуточной частоты; - автоматическую регулировку усиления (АРУ); - детектирование амплитуды огибающей сигнала; - аналого-цифровое преобразование амплитуды; - измерение мгновенных значений частоты сигнала в дискретных выборках; - передачу цифровых данных в блок памяти.
Исходя из данных, полученных из различных источников, функциональная блок-схема акустического доплеровского профшюграфа может иметь следующий вид (см. рис. 3.3).
Согласно рис. 3.3 АДПТ содержит акустическую антенну, состоящую из четырех круглых узконаправленных приемоизлучателей. Излучаемые сигналы представляют собой импульсные посылки, заполненные несущей частотой. Сигналы излучения формируются передатчиками.
Прием отраженного неоднородностями воды сигнала осуществляется одним приемником, вход которого поочередно подключается к приемоизлучателям. Для достижения максимальной дальности зондирования вход приемника согласуется с импедансом антенны. При согласовании достигается максимально возможная чувствительность и максимум отношения уровня полезного сигнала к уровню шумов. Приемник должен содержать цепи для оптимальной фильтрации полезного сигнала. Кроме того, должна иметься система раздельной временной автоматической регулировок усиления (ВАРУ и АРУ), отслеживающие закономерную и случайную составляющие затухания сигнала в зависимости от дистанции и аномальных отклонений затухания в выбранном районе моря.
Глубина временной регулировки усиления должна соответствовать норме ослабления, а автоматической регулировки, перекрывать возможные отклонения затухания. Благодаря совместному действию регулировок средняя амплитуда выходного сигнала приемника (осредненная за определенный интервал времени) будет оставаться практически постоянной, обеспечивая необходимый уровень сигнала для анализа с заданной точностью.
Частота излучения передатчиков и гетеродина приемника образуются из частоты общего часового кварцевого генератора.
Последовательность работы всех узлов и блоков прибора задается блоком программного управления. Цикл работы начинается после команды оператора.
Принятый сигнал обрабатывается на промежуточной частоте приемника. Блок предварительной обработки включает в себя измеритель мгновенных значений частоты и аналого-цифровой преобразователь амплитуды (огибающей сигнала). Период дискретизации выборок включает в себя целое число периодов несущей частоты и примерно должен соответствовать ширине полосы сигнала согласно диапазону доп-леровского сдвига Fs.
Выборки частоты и амплитуды должны производятся непрерывно, воспроизводя полный сигнал без пропусков и без потери фазы несущей частоты. Зарегистрированные в блоке памяти цифровые значения амплитуды с некоторой погрешностью позволят с указанной точностью восстановить исходный сигнал, а затем выполнить спектральный анализ для определения средней частоты энергетического спектра любыми из описанных методов.
Функции элементов блок-схемы, представленной на рис. 3.3: Предусилитель: согласование с антеннами, усиление сигнала по высокой частоте; Приемник: усиление и фильтрация по высокой частоте, преобразование в промежуточную частоту, усиление промежуточной частоты; Частотный детектор; выделение частоты пропорциональной частоте допле-ровского сдвига, фильтрация высокочастотных составляющих; Кварцевый генератор: генерация базовой частоты; Синтезатор частот: генерация зондирующей частоты на основе базовой. ВАРУ: усиление промежуточной частоты; АЦП: аналого-цифровое преобразование
Погрешность неадекватности, вызванная вертикальными перемещениями профилографа
В общем случае характеристики погрешностей определяются видом входного воздействия и свойствами составляющих измерительную цепь модулей. Соответствующие сведения представляются адекватными моделями. Оценки характеристик погрешностей определяются принятыми характеристиками входного воздействия и измерительных модулей, представляемыми неадекватными моделями. Отличие неадекватных моделей от адекватных - один из факторов, обусловливающих недостоверность результатов метрологического анализа. Второй фактор - допускаемые при расчетном оценивании аппроксимации {фактор неидеальности) [76, 107].
Теория МА виртуальных измерительных цепей (ВИЦ) затрагивает вопросы обеспечения требуемой достоверности результатов оценивания характеристик по Как было отмечено выше, АДПТ можно считать измерительной системой. грешностей. Требуемая достоверность, таким образом, достигается посредством максимально полного учета всех факторов, обусловливающих недостоверность результатов метрологического анализа [20]. Известно [76, 96], что вероятностная характеристика 9 [А, ,] в общем случае определяется соотношением №Л) ]= J g[AX} МЛА }dAX), (4.18) где под [ЛЛ ] понимается та, или иная характеристика погрешности полной группы погрешностей АЛ), а именно математическое ожидание М[АЛ)], дисперсия [ЛЛ ], интервальное оценивание плотности вероятности полученных метрологических характеристик в виде РД[ДН,ДВ]. Использование (4.18) предполагает наличие априорной информации о виде плотностей вероятности, как каждого компонента, так и полной группы погрешностей Д\ -. Оценка основных характеристик полной группы погрешностей результатов измерения определяется, согласно (4.18), в виде ПАЛ) ]= J 8[АЛ)]ы [АЛ) ] 1АЛ), (4.19) тогда погрешность оценивания основных характеристик полной погрешности результатов измерения определяется как АЄ[Аі;] = 6[ДЯ ]-Є [ЛЛ ] =Ате [АА ]+Д11не-[А ], (4.20) где Д ЧДЛ -] - погрешность неадекватности определения модели характеристики полной группы погрешности, обусловленная отличием оценочной характеристики 0 [ДА - ] от идеальной Э[ДА ], определяемой как Д Э ГЛА-] = \8[АХ [АЛ)}йАЛ) - Q[AX)]; (4.21) АН11Э [ДЯ ] - погрешность неидеальности, определяемая выражением ДНИЄ [ДД ] = \8[&Л) \АЛ)Ъ1АЛ) - Я[ДЛ [АЛ №Ц. (4.22) д Л 119
Расчетные методы оценивания достоверности основных характеристик погрешности основаны на определении погрешности неадекватности математических моделей, используемых в измерительной процедуре.
Под математическими моделями понимается совокупность моделей входных воздействий, моделей модулей ВИЦ, моделей самих ВИЦ, моделей погрешностей и их характеристик, моделей условий измерений и т. п. Неадекватность выбора математических моделей, таким образом, и определяет меру достоверности результатов измерений.
Как показано в [76], основу для получения расчетных соотношений характеристик 9 погрешностей ДА. составляет интегральное представление 6ТА ]= f g№)MAZ) №Л), (4.23) д где Д - область существования ДА - лежащее в основе определения 9[.] преобразование; н{ДЯ ]- плотность распределения вероятности ДА -. Из (4.18) и (4.20) следуют выражения: - для математического ожидания погрешности (систематической погрешности) М[АЛ) ]= J АЛ) н1ЛЛ ]dAA); (4.24) А - для среднеквадратичного отклонения погрешности От[АЛ)]=[\{АЛ) -М[АЛ)])2МАЛ)] 1АЛ); (4.25) д - для интервальной вероятности погрешности д. РДДН,ДВ] = $п(АЛ)ЖАЛ)). (4.26) К
Оценка любой характеристики погрешности выполняется с помощью априорных знаний, включающих в себя сведения об объектах, процедурах, средствах и условиях измерений и.их взаимосвязей, и заключается в формировании расчетного соотношения и последующих вычислениях.
Неадекватность используемых знаний (неадекватность используемых математических моделей истинным) и неидеальность выполняемых преобразований и вычислений (аппроксимации) приводят к ошибкам, так как вместо соотношения (4.18) используется выражение 120 #ЧЩ]= J g[M)}w [AXj]JAA , (4.27) A где в [АЛ)] и W (.) - соответственно, оценки области существования и плотности распределения вероятности AXj.
