Учебное пособие «Физика природной среды»



страница18/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   26

3.13. Аппаратура и методика измерения гидрометеорологических характеристик в морских условиях

3.13.1 Задачи и специфика измерений

Основной задачей океанографических наблюдений и измерений является получение надежной информации о количественных характеристиках термогидродинамических полей в океане и в атмосфере над ним. Такая информация требуется при решении главной проблемы — разработке теории и проверке практических методов прогноза этих характеристик, необходимых для удовлетворения запросов различных отраслей народного хозяйства, связанных в своей деятельности с морем.

Прямые измерения в океане имеют свои особенности и предъявляют специфические требования к аппаратуре и методике их проведения. Морская вода является агрессивной средой, что ведет к необходимости применения соответствующих химически стойких датчиков. Высокие давления, особенно на больших глубинах, при всех измерениях, кроме самого давления, являются помехой, для исключения которой измерительные системы должны быть механически прочными и надежно герметизированными, а датчики защищенными от резких колебаний внешнего давления. Волнение на поверхности моря вносит дополнительные трудности в методику и обработку большинства других параметров термогидродинамических полей. Сильное волнение вообще исключает производство любых измерений контактными методами.

Для наблюдений в море требуется наличие дорогостоящих вспомогательных средств для размещения и установки измерительных систем: судов с высокими мореходными качествами, самолетов для дистанционных измерений, плавающих и жестко установленных платформ и буев, кораблей погоды, специальных искусственных спутников и др.

Для полной информации о процессах, протекающих в воде и в воздухе, требуются комплексные измерения основных параметров термогидродинамических полей в океане и в атмосфере. В задачах термики такими параметрами являются: для атмосферы — потоки коротковолновой солнечной и длинноволнового теплового излучения океана и атмосферы, скорость ветра, температура и влажность воздуха, состояние облачности; для океана — поглощение потока лучистой энергии, скорость течения, температура, соленость, прозрачность воды и состояние поверхности. Эти сведения достаточны для характеристики средних полей. При изучении тонкой структуры и турбулентности необходимо проведение пульсационных измерений, расчет по ним статистических характеристик и установление связи со средними параметрами. Такие измерения в океане имеют свою специфику и очень малочисленны для обобщающих выводов.

3.13.2. Общие требования к аппаратуре и методике

Выполнение полного комплекса совместных измерений в воде и в воздухе над морем представляет сложную и трудоемкую работу. Но она дает наиболее ценные данные для исследования общих закономерностей и влияния различных факторов на формирование термогидродинамического режима пограничных слоев океана и атмосферы в процессе их взаимодействия.

Основой методики океанографических измерений служит использование физических зависимостей количественных характеристик исследуемого поля от других легко измеряемых параметров. По воздействию на датчик измерительного прибора различают две группы методов: контактные и дистанционные или бесконтактные. В первом случае датчик находится в прямом контакте и равновесном состоянии с окружающей средой. Типичным примером такой методики является использование термометров сопротивления, которые осуществляют преобразование изменений температуры в изменение электрического сопротивления датчиков, термоанемометров постоянного тока или постоянной температуры для измерения скоростей движений г водных и воздушных потоках. Во втором случае непосредственный контакт датчика со средой отсутствует, и измеряемая характеристика поля определяется по косвенному воздействию на него, например через потоки излучения при измерениях температуры поверхности воды радиометрическими методами.

Аппаратура и методика для океанографических измерений должна обладать следующими общими качествами:

а) высокой чувствительностью всей измерительной системы к регистрируемой характеристике и малой зависимостью от влияния других факторов;

б) малой инерционностью измерительной системы для возможности регистрации быстрых колебаний измеряемой характеристики;

в) линейностью или возможностью компенсации нелинейных эффектов измерительной системой;

г) стабильностью, воспроизводимостью, простотой и надежностью всей измерительной системы, обеспечением максимального отношения полезного сигнала к шуму на выходе и возможностью представления сигнала в форме, удобной для автоматизированной обработки.

Выполнение всех этих требований зависит от характеристики исходного датчика — преобразователя сигнала. Физическими свойствами датчика определяются максимальная чувствительность, минимальная инерционность и пространственное разрешение всей системы. Поэтому при разработке аппаратуры и оценке ее достоинств главное внимание должно обращаться именно на первичный преобразователь.

Океанографические измерения подразделяются на два класса: стандартные и специализированные. К стандартным относятся измерения характеристик средних полей с единообразной аппаратурой и методикой, выполняемые на стационарных станциях, разрезах, полигонах, повторяемые в определенные сроки и ведущиеся длительное время. На их основе составляются карты распределения и атласы количественных характеристик фоновой изменчивости этих полей для региональных областей и всего Мирового океана и атмосферы в целом. Стандартные измерения — основной источник гидрометеорологической информации о прошлом состоянии океана и атмосферы и тенденции их изменения во времени. Они же служат для проверки теоретических моделей климата и погоды. Аппаратура, методика измерений и обработки подробно описаны в руководствах по таким измерениям и мы на них останавливаться не будем.



Специализированные измерения выполняются для детального исследования: турбулентности, тонкой структуры и микроструктуры, синоптической изменчивости, фронтальных зон и других, главным образом, короткопериодных колебаний характеристик различных полей. Для них разрабатываются оригинальная аппаратура и методика, иногда в единичных исполнениях, в зависимости от конкретных целей исследования и масштабов изучаемых процессов.

3.13.3. Методика измерений в приводном слое атмосферы

Специализированные измерения (градиентные и микроструктурные) проводятся с целью изучения вертикальной структуры и характеристик турбулентности для расчета потоков импульса, тепла и влаги. Основу их составляют синхронные измерения или непрерывная регистрация средних значений и пульсаций скорости ветра u, температуры t и влажности воздуха q на нескольких уровнях над водой (обычно до 10 м). Они дают необходимые данные для описания и параметризации вертикальных профилей u, t и q, выявления их подобия или различия, расчета стратификации в воздухе, а также решения ряда других вопросов. Датчики располагаются на выносных устройствах либо непосредственно с борта судна, либо на свободно плавающих (типа вехи Фруда) буях, позволяющих снизить влияние корпуса судна и волнения на результаты измерений. Посредством кабеля датчики соединяются с измерительной системой и регистрирующим прибором, которые находятся на борту судна.

В качестве датчиков скорости ветра применяются механические анемометры с электрической или механической регистрацией, термоанемометры постоянного тока или постоянной температуры, в которых используется зависимость электрического сопротивления чувствительного элемента от скорости воздушного потока. В последние годы разработаны и совершенствуются акустические анемометры двух классов: фазовые и частотные. В акустических фазовых анемометрах измеряется зависящее от скорости набегающего воздушного потока время между фронтами посылаемых излучателем ультразвуковых импульсов; в частотных — измеряется изменение частоты следования импульсов.

Датчиками температуры служат в основном термометры сопротивления — металлические или полупроводниковые. Для измерения разности температур на двух уровнях используются термопары или два термометра сопротивления, расположенные на этих уровнях и включенные в противоположные плечи мостовой схемы.

Для определения характеристик влажности имеется довольно большое разнообразие методов: психрометрический, оптический, точки росы и др. Для морских условий наиболее подходящими, по-видимому, являются: психрометрический метод с использованием показаний сухого и смоченного термометров сопротивления, или сорбционный с датчиками, изменяющими свое сопротивление в зависимости от относительной влажности.

Для микроструктурных пульсационных измерений используются термоанемометры, акустические анемометры, металлические и полупроводниковые термометры сопротивления, УФ-гигрометры и т. д. Продолжительность непрерывной регистрации в этих методах обычно не превосходит 40–60 минут. Измерительные системы в большинстве случаев оригинальные и имеются в единичном исполнении.



3.13.4. Методика измерений в деятельном слое океана

Аппаратура и методика измерений в деятельном слое океана весьма разнообразны. Что касается датчиков, то для температуры это термометры сопротивления или термопары; для скорости течения — датчики гидродинамического (вертушки, роторы и др.) или акустического типа; для электропроводности (с целью расчета солености) — емкостные и индуктивные; для давления (с пересчетом на глубину) — датчики механические или тензометрические1.

Наиболее распространенным видом измерений в деятельном слое океана является непрерывное вертикальное или горизонтальное зондирование. При этом датчики имеют непосредственный контакт с окружающей средой, а измерительная система и регистратор располагаются либо на борту судна, либо в герметизированном корпусе зонда. По принципу использования различают зонды одноразового и многоразового действия, по способу измерений — зонды, опускаемые на кабель-тросе, свободнопадающие или всплывающие или буксируемые. В морских исследованиях, выполняемых в нашей стране, преимущественное распространение получили зонды многоразового использования на кабель-тросе и буксируемые системы. Примерами такой аппаратуры могут служить зонды «СТД» (соленость, температура, давление), «АИСТ» (автоматический измеритель скорости течения).

В практическом применении зондов и буксируемых систем встречается ряд технических трудностей, связанных с устранением их вибрации, особенно при тонкоструктурных измерениях, с удержанием датчиков на заданной глубине или изотерме при горизонтальной буксировке. Единой методики таких измерений и их обработки пока нет.


1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница