RU223381U1 - Модуль оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области гидрологии и предназначена для долговременного автономного контроля солености морской воды в натурных условиях. Решаемая техническая проблема – создание модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука для долговременного автономного контроля солености морской воды в натурных условиях. Технический результат – повышение точности и достоверности оперативного долговременного автономного систематического мониторинга солености морской воды. Модуль содержит прочный корпус из нержавеющей стали с двумя фланцами, на одном из которых установлен штуцер для соединения с линией связи, на другом - несущая рамка с измерительной базой, выполненной из ситалла, акустический приемо-передающий преобразователь и датчик измерителя температуры среды. Внутри корпуса размещен электронный блок высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука и контроллер с функцией вычисления солености по результатам прямых синхронных измерений скорости звука и температуры. 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области гидрологии и предназначена для долговременного автономного контроля солености морской воды в натурных условиях.

Уровень техники

Техническая проблема, решаемая полезной моделью, – создание модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука для долговременного автономного контроля солености морской воды в натурных условиях.

В настоящее время применение информации о скорости звука для вычисления вторичных гидрологических параметров, в частности, солености, является перспективным направлением [Allen, 2017]. Традиционные наблюдения солености морской воды в натурных условиях основаны на вычислении солености по данным прямых измерений температуры, электропроводимости и давления морской воды. Такой метод основан на гипотезе постоянства относительного химического состава морской воды, что предполагает использование бинарной модели «дистиллированная вода + квазиоднородная соль». В действительности же морская вода представляет собой весьма сложный по составу солевой раствор, и, следовательно, вычисление солености на основании данных измерений электропроводимости приводит к получению недостоверных результатов. Скорость звука в отличие от электропроводимости характеризует концентрацию всех растворенных в воде веществ, и, следовательно, использование ее для вычисления вторичных гидрологических параметров позволило бы преодолеть указанное ограничение. Одна из основных причин, по которым этот метод не получил широкого распространения, заключается в том, что для обеспечения допустимых значений погрешностей вычисления солености необходимо измерять скорость звука с погрешностью не хуже нескольких сантиметров в секунду, что представляет собой весьма сложную задачу.

Кроме того, биологическое обрастание и загрязнение используемых для измерений электропроводности первичных преобразователей приводит при долговременном автономном мониторинге к существенному увеличению погрешности определения солености [Validation of salinity data from surface drifters / G. Reverdin [et al.] // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2014. Vol. 31, iss. 4. P. 967–983. doi:10.1175/JTECH-D-13-00158.1], а существующие способы защиты от влияния этих факторов либо малоэффективны, либо экономически и энергетически слишком затратны.

Из существующего уровня техники известна автономная буйковая гидрофизическая станция (АБГС) [патент RU № 61245 U1 на полезную модель, опубл. 27.02.2007 Бюл. № 6], предназначенная для проведения долговременных наблюдений в океане. Такая АБГС может устанавливаться на тросе с помощью якоря в прибрежных районах и в открытом океане или дрейфовать в океане. АБГС оснащена «гирляндой» гидрофизических измерительных модулей, в состав которой могут входить датчики давления, температуры, электрической проводимости и т.д., фильтры, усилители, АЦП, адаптеры связи, коммутаторы, контроллеры и т.д. АБГС регулярно измеряет и передает полученные данные в центр обработки данных по радиоканалу, в том числе по спутниковому каналу связи.

Однако конструктивные особенности и значительные весогабаритные характеристики АБГС ограничивают ее применение в качестве заякоренной или дрейфующей платформы открытыми районами глубоководных акваторий, а также исключают возможность установки станции на лед для исследования подледного слоя океана. Технология постановки АБГС отличается высокой сложностью и требует значительных материальных и организационных ресурсов с привлечением большого количества высококвалифицированных специалистов и специальных судовых средств развертывания, что, с учетом значительной стоимости самой станции, существенно ограничивает возможность создания на её основе наблюдательной сети. Но главным недостатком является невозможность получения абсолютных значений солености – данные датчиков электропроводности, давления, температуры, которые входят в состав АБГС, позволяют вычислять лишь практическую соленость, зависящую только от ионного состава морской воды, в то время как абсолютная соленость является функцией концентрации всех растворенных в воде веществ [IOC, SCOR and IAPSO, 2010: The international thermodynamic equation of seawater – 2010: Calculation and use of thermodynamic properties. Intergovernmental Oceanographic Commission, Manuals and Guides No. 56, UNESCO (English), 196 pp.].

Известен способ определения солености и плотности морской воды [патент RU № 2349910 С1 на изобретение, опубл. 20.03.2009 Бюл. № 8], в соответствии с которым осуществляют локальное измерение температуры воды на заданной глубине, возбуждают акустическое излучение и измеряют непосредственно скорость звука принятого акустического излучения с помощью импульсно-циклического ультразвукового измерителя скорости звука и по непосредственно измеренной на этой глубине скорости звука и температуре по соответствующим математическим выражениям находят соленость морской воды. Использование скорости звука в качестве аргумента для расчета солености позволяет преодолеть ограничения, связанные с гипотезой постоянства относительного химического состава морской воды, однако реализация способа основана на использовании импульсно-циклического измерителя скорости звука [Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -136 с.], метрологические характеристики которого не соответствуют требованиям к погрешностям гидрологических средств мониторинга, а позволяют лишь оценивать изменчивость контролируемых параметров. Кроме того, способ рассчитан на применение судового оборудования, что не позволяет создавать на его основе автономные, и, особенно, долговременные, системы оперативного мониторинга среды.

Прототипом заявленного технического решения является измеритель вариаций солености морской воды [патент RU № 2764403 С1 на изобретение, опубл. 17.01.2022 Бюл. № 2], который содержит размещенные на общем основании электронный блок, включающий микроконтроллер, генератор электрических импульсов, усилители мощности и блок питания, и две цилиндрические полости одинаковой длины, в торцевых поверхностях которых напротив друг друга расположены излучатель и приемник акустических импульсов, соединенные с электронным блоком, при этом одна из полостей изолирована от окружающей среды, снабжена эластичной мембраной, разделяющей окружающую среду и внутреннюю полость, и одна из ее торцевых поверхностей выполнена в виде съемной крышки, а другая полость выполнена с отверстиями, соединяющими внутренний объем полости с окружающей средой. Перед началом работы полость с эластичной мембраной через крышку заполняется дистиллированной водой и закрывается. Готовый к работе измеритель помещается под воду, где происходит заполнение морской водой полости с отверстиями. Измерение вариаций солености основывается на сравнении измерений скоростей распространения звука в полости с дистиллированной водой и в полости, заполненной морской водой, поступившей из окружающей среды. Для измерения скорости звука осуществляется одновременное излучение акустических импульсов с длительностью много меньшей среднего времени распространения звука на длине полости излучателями, которые соединены посредством кабелей с электронным блоком, снабженным микроконтроллером, генератором электрических импульсов заданной длительности и усилителями мощности, осуществляющих генерацию электрических импульсов, необходимых для работы излучателей, преобразующих электрические импульсы в акустические. Излученные акустические импульсы принимаются приемниками акустических импульсов, соединенными с электронным блоком, в микроконтроллере которого осуществляется измерение времен распространения акустических импульсов в обеих полостях, и далее, поскольку соленость дистиллированной воды равна нулю, а соленость морской воды отлична от нуля, по разности времен распространения акустических импульсов вычисляется разница скоростей их распространения, по величине которой судят о степени солености воды. Регистрируя изменчивость разности времен распространения, определяют изменчивость солености в месте установки устройства.

К недостаткам измерителя следует отнести, во-первых, необходимость использования дистиллированной воды в качестве калибровочной жидкости, что практически исключает возможность использования измерителя как долговременного автономного средства мониторинга; во-вторых, - измерения выполняются в предположении идентичности температуры калибровочной жидкости температуре исследуемой среды, что, с учетом изменчивости последней в натурных условиях, практически невыполнимо; в-третьих, скорость звука в дистиллированной воде сопоставляется со скоростью звука в ограниченном полостью плохо промываемом объеме, что при значительных естественных флуктуациях параметров среды не позволяет получать данные в реальных пространственно-временных масштабах изменчивости этих параметров. Также весьма вероятным следствием ограниченной промываемости полости с исследуемой жидкостью может быть загрязнение полости, что неизбежно приведет к дополнительной погрешности измерения, обусловленной неинформативной изменчивостью времени распространения ультразвукового импульса.

Раскрытие сущности полезной модели

Совокупность существенных признаков заявленного модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука, в состав которого входят измеритель температуры, высокоточный времяпролетный двухбазовый измеритель скорости звука и интерфейс, согласованно конфигурированный с интерфейсом модуля контроллера внешнего устройства, обеспечивает получение новых технических свойств изобретения:

повышение точности оценивания солености в условиях долговременного натурного мониторинга морской среды;

снижение влияния на результаты оценивания солености биологического обрастания и загрязнения, используемых первичного преобразователя скорости звука;

оценивание солености как функции первичных параметров, измеренных в пространственно-временных масштабах, сопоставимых с реальной изменчивостью параметров среды в натурных условиях;

возможность оперативного получения абсолютных значений солености среды;

возможность использования модуля для мониторинга верхнего подледного слоя океана.

Указанные новые технические свойства обуславливают достижение технического результата полезной модели: повышение точности и достоверности оперативного долговременного автономного систематического мониторинга солености морской воды.

Краткое описание чертежей

Сущность полезной модели поясняется со ссылками на иллюстрации, на которых изображено:

фиг. 1 – чертеж (А) и внешний вид (Б) модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука;

фиг. 2 – схема двухбазового акустического датчика скорости звука и осциллограммы формирования входного информативного интервала времени τ;

фиг. 3 – структурная схема модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука;

фиг. 4 – эскиз (А) и внешний вид (Б) акустического преобразователя;

фиг. 5 – распределение отклонений результатов оценивания солености в диапазоне температур от 2 до 35°С и соленостей от 4 до 19 ‰ по данным лабораторных испытаний модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука;

фиг. 6 – расположение модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука и датчика 3919 во время сопоставительных натурных испытаний (А); внешний вид датчика модуля через 60 сут после начала испытаний (Б); результаты сопоставлений солености по данным модуля с соленостью по данным датчика 3919 (В).

Осуществление полезной модели

Заявленный модуль оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука содержит (фиг. 1 А) прочный корпус 1 из нержавеющей стали с двумя фланцами 2 и 3. На внешней поверхности фланца 2 установлен штуцер 4 для соединения с линией связи с внешним устройством. На фланце 3 установлены штуцер 5, несущая рамка 6 с измерительной базой 7, датчик 8 измерителя температуры, акустический приемо-передающий преобразователь 9, электронный блок 10 высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука и контроллер 11. Измерительная база 7 выполнена из ситалла СО115М. Длина корпуса 1 модуля составляет 172 мм, длина всего модуля – 335 мм. Общий вид модуля показан на фиг. 1 Б.

Принцип действия высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука обеспечивает долговременную устойчивость метрологических характеристик дрифтера к загрязнению и биологическому обрастанию, а вычисленное по результатам прямых измерений скорости звука, температуры и гидростатического давления значение солености является функцией концентрации всех растворенных в воде веществ, а не только ионосодержащих соединений, как при использовании результатов измерений электропроводности, температуры и гидростатического давления.

В соответствии с времяпролетным методом скорость звука C рассчитывается по времени τ распространения ультразвукового импульса на фиксированной измерительной базе L: C=L/τ. Инструментальная составляющая погрешности времяпролетного измерителя скорости звука (ИСЗ) обусловлена дополнительной временной задержкой в электроакустическом тракте измерителя и погрешностью измерения интервала времени, дифракционной погрешностью, нестабильностью длины ΔL измерительной базы; методическая погрешность – погрешностью метода калибровки. С учетом инструментальной погрешности реальная характеристика преобразования ИСЗ имеет вид:

, (1)

где L₀ – длина измерительной базы при температуре T₀ и давлении P₀; α – температурный коэффициент линейного расширения базы, β – барический коэффициент сжатия базы; Δτ – суммарная погрешность, обусловленная дополнительной временной задержкой в электроакустическом тракте измерителя и погрешностью измерения интервала времени; d – индивидуальный дифракционный параметр ИСЗ.

Задача минимизации дополнительной временной задержкой Δτ решается применением в ИСЗ двухбазового акустического датчика (фиг. 2), состоящего из акустического приемо-передающего преобразователя 9 и измерительной базы 7. В датчике при возбуждении импульсом акустического преобразователя в среду излучается акустический сигнал и, распространяясь, достигает первой и второй отражающих поверхностей измерительной базы 7. Отраженные эхо-сигналы принимаются акустическим преобразователем и преобразуются в электрические сигналы 1.1э и 1.2э, привязка которых ко времени приема эхо-сигналов осуществляется в моменты пересечения нуля их одноименных полупериодов. При таком способе длительность интервала времени между фронтами импульсов 1.1 и 1.2, соответствующих первому 1.1э и второму 1.2э эхо-сигналам, не зависит от флуктуаций амплитуд акустических эхо-сигналов и дополнительных задержек в электроакустическом тракте измерителя [Mелешко Е. A. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. Изд. 2-е, доп. М. : Атомиздат, 1978. 216 с.]. Существенным обстоятельством является также то, что такая конструкция датчика позволяет достаточно просто обеспечить его защиту от биологического обрастания простыми пассивными методами.

В выражении (1) полином в первых квадратных скобках – функция влияния температуры Т и гидростатического давления Р на длину измерительной базы L. Для минимизации этой составляющей погрешности измерительную базу в разрабатываемом ИСЗ предполагается выполнить из ситалла типа СО115М, для которого α ≤ 1,5⋅10^-7 1/град, β~0. С учётом этого в рабочих диапазонах изменений давления и температуры относительное изменение длины базы не превысит 3⋅10^-6, что при L = 0,07 м соответствует внесению дополнительной погрешности измерения скорости звука, обусловленной влиянием на датчик изменений температуры и гидростатического давления в рабочих условиях применения ИСЗ, не более 5⋅10^-3 м/с.

В ИСЗ время распространения эхо-сигналов измеряется с помощью время-цифрового преобразователя и термокомпенсированного генератора. Разрешающая способность преобразователя – 55⋅10^–12 с, долговременная относительная нестабильность частоты генератора в диапазоне изменчивости влияющих факторов – не более 2⋅10^–6. При длине измерительной базы L=70 мм такие характеристики соответствуют погрешности измерения скорости звука не более 0,005 м/с с разрешением не хуже 0,001 м/с.

Дифракционная составляющая погрешности обусловлена отличием реальной звуковой волны от плоской из-за конечных размеров акустического преобразователя и отражателей измерительной базы датчика ИСЗ. Для минимизации влияния дифракции отражающие поверхности измерительной базы располагаются вне ближней зоны акустического поля [Dakin, Del Thomas. "In situ sensing to enable the 2010 thermodynamic equation of seawater." Thesis, 2016. http://hdl.handle.net/1828/7713], длина которой L_N определяется формулой L_N = D²⋅F/4⋅C, где D – диаметр акустического преобразователя; F – частота излучаемого акустического сигнала; C – скорость звука в среде. Для преобразователя с диаметром 0,01 м и частотой 2⋅10⁶ Гц для скорости звука 1400 м/с длина ближней зоны составляет 36 мм. В соответствии с этим в ИСЗ первая отражающая поверхность измерительной базы располагается от акустического преобразователя на расстоянии (37±0,5) мм, вторая, при длине измерительной базы L=(70±0,5) мм, - на расстоянии (107±1) мм. Кроме того, то обстоятельство, что при данной геометрии датчика и стабильной частоте излучаемого акустического сигнала дифракционная составляющая погрешности определяется длиной волны акустического сигнала, т. е., скоростью звука в среде, позволяет путем калибровки ИСЗ в рабочем диапазоне скоростей звука оценить, а, следовательно, и компенсировать количественный вклад этой составляющей погрешности на результат измерения.

Методическая составляющая погрешности обусловлена погрешностью метода калибровки. Учитывая тот факт, что в настоящее время для высокоточных ИСЗ не существует единой поверочной схемы, в качестве характеристики точности измерений скорости звука используется термин «сходимость» [РМГ 29-2013 Метрология. Основные термины и определения].

Соленость вычисляется в модуле по результатам измерений скорости звука и температуры в соответствии с уравнением, предложенным в статье [Allen J.T., Keen P.W. et al. A new salinity equation for sound speed instruments. Limnology and oceanography: Methods. 06, 2017. P. 1–11. doi:10.1002/lom3.10203], по данным авторов которой погрешность вычисления солености по этому уравнению не более 0,0014 ‰.

Структурная схема модуля оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука показана на фиг. 3 и состоит из акустического приемо-передающего преобразователя 9, измерительной базы 7, формирователя зондирующих импульсов 12, формирователя интервала времени 13, время - цифрового преобразователя 14, термокомпенсированного опорного генератора 15, датчика 8 измерителя температуры, выполненного на автогенераторе 16 с кварцевым чувствительным элементом 17, контроллера 11, формирователя напряжений электропитания 18. Передача информации между модулем и внешним устройством - с помощью интерфейса RS-232. Первичное электропитание модуля осуществляется постоянным током напряжением от 7 до 15 В, которое формирователем 18 преобразуется в напряжения 3, 5 и 15 В, необходимые для электропитания отдельных узлов электрической схемы модуля.

Конструкция акустического преобразователя 9 (фиг. 4 А) обеспечивает минимизацию дополнительных временных задержек при формировании информативного интервала времени. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы формы первого 1.1э и второго 1.2э принятых эхо-сигналов (фиг. 2) позволяли однозначно фиксировать моменты переходов через ноль одноименных полупериодов этих сигналов. Это достигается расширением полосы пропускания акустического преобразователя путем демпфирования пьезоэлемента 19 .

Демпфер преобразователя состоит из поглотителя 20 и свинцового конуса 21. Поглотитель 20 представляет собой смесь эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка сплава ВК-18. Корпус 22 преобразователя выполнен из титана. Акустический контакт пьезоэлемента 19 со средой осуществляется через акустически прозрачный защитный слой из эпоксидного компаунда 23. Внешний вид акустического преобразователя 9 показан на фиг. 4 Б.

Измерительная база 7 изготовлена путем гидроабразивной резки из цельного куска ситалла СО115М с двумя отражающими поверхностями, расстояние между которыми L=(70±0,5) мм. Соотношение площадей отражающих поверхностей обеспечивает необходимую идентичность амплитуд эхо-сигналов.

На фиг. 2 показаны осциллограммы эхо-сигналов от первого и второго отражателей измерительной базы, полученные при возбуждении пьезоэлемента 19 акустического преобразователя 9 прямоугольным импульсом напряжения длительностью 2,5⋅10^-7 с и амплитудой 10 В. Таким образом, разработанная конструкция обеспечивает формирование входного информативного интервала времени τ, длительность которого определяется длиной L измерительной базы, скоростью звука C в исследуемой среде и не зависит от дополнительных временных задержек.

Конструкция датчика измерителя скорости звука обеспечивает сохранение точной геометрии датчика в условиях эксплуатации, что имеет решающее значение для сохранения метрологических характеристик измерителя в диапазоне изменчивости влияющих факторов. Конструктивно измерительная база 7 расположена на несущей рамке, которая сварочным соединением жестко крепится к фланцу корпуса модуля. Фланец содержит посадочные отверстия для установки акустического преобразователя 9 и датчика температуры 8.

Конструкция датчика 8 измерителя температуры и его установка обеспечивают совмещение объемов пространственного осреднения датчика и измерительной базы 7. Датчик температуры размещается внутри несущей рамки в непосредственной близости от измерительной базы и устанавливается на крышку корпуса модуля посредством вставки из полистирола, имеющего коэффициент теплопроводности 0,046 Вт/(м⋅град).

Компоненты электрической схемы модуля размещены на двух печатных платах – плате электронного блока 10 высокоточного времяпролетного двухбазового измерителя скорости звука и плате контроллера 11. Платы установлены на кронштейнах, которые винтовыми соединениями крепятся к внутренней части фланца 3 (фиг. 1 А).

Работает заявленное устройство следующим образом.

Модуль предназначен для применения в составе внешнего устройства, обеспечивающего в соответствии с заданным алгоритмом электропитание модуля, прием, обработку и передачу данных. Алгоритм работы модуля определяется на программном уровне с помощью согласованно конфигурированного микроконтроллера внешнего устройства.

После подачи питания и поступления соответствующих команд из внешнего устройства на выходе контроллера 11 модуля формируется импульс начала цикла, по переднему фронту которого на выходе формирователя 12 формируется импульс возбуждения акустического приемо-передающего преобразователя 9, в результате чего в исследуемую среду излучается ультразвуковой импульс. Временное положение фронта импульса начала цикла, поступающего также на вход «Старт» время-цифрового преобразователя 14, определяет начало отсчета интервала времени распространения излученного ультразвукового импульса.

Импульсы напряжения 1.1. и 1.2 (фиг. 2), соответствующие эхо-сигналам, отраженным от первой и второй отражающих поверхностей измерительной базы 7, с электрического выхода преобразователя 9 поступают на вход формирователя 13, в котором осуществляется временная привязка принятых эхо-сигналов по способу "пересечение нуля" с двухуровневым пороговым устройством. На выходе формирователя 13 формируются два импульса 1.1. и 1.2 (фиг. 2), временные положения фронтов которых соответствуют моментам приёма эхо-сигналов, а интервал времени между фронтами - времени τ распространения ультразвукового сигнала на измерительной базе 7. Импульсы последовательно поступают на вход «Стоп» время-цифрового преобразователя 14, в результате чего на выходе преобразователя формируется последовательный код, который определяется частотой опорного генератора 15 и разностью между фронтом импульса начала цикла и фронтами двух стоповых импульсов 1.1. и 1.2, то есть, временем τ распространения ультразвукового сигнала на измерительной базе 7.

Измеренное значение скорости звука рассчитывается в соответствии с характеристикой преобразования ИСЗ. Характеристика преобразования ИСЗ оценивается с помощью метода, при котором значения скорости звука воспроизводятся путем изменения температуры дистиллированной воды и рассчитываются в зависимости от температуры воды по уравнению, приведенному в статье [Bilaniuk, Nykolai and George S. K. Wong. Speed of sound in pure water as a function of temperature. Journal of the Acoustical Society of America 93 (1993): 1609-1612. https://doi.org/10.1121/1.406819]. Погрешность воспроизведения скорости звука при этом не превышает 0,02 м/с в диапазоне температур от 0 до 100°С. При измерении температуры воды платиновым термометром сопротивления ПТС-10М с погрешностью не более 0,002°С значения скорости звука воспроизводятся с погрешностью не более 0,025 м/с. В реализованном при калибровке диапазоне скоростей звука такой метод позволяет учесть суммарный вклад дополнительных составляющих погрешности, в том числе дифракционной, без выяснения степени влияния каждой из них.

Характеристика преобразования ИСЗ, полученная таким методом, имеет вид

, (2)

где C(τ) – измеренное значение скорости звука; a0, a1, a2 – коэффициенты функции преобразования.

На фиг. 5 показано полученное по результатам лабораторных испытаний распределение отклонений между рассчитанными по формуле (2) и образцовыми значениями скорости звука.

Для измерения частоты F(T) информативного сигнала датчика 8 температуры применен электронно-счетный метод, основанный на подсчете количества импульсов частоты опорного генератора за интервал времени, кратный периоду измеряемого сигнала. Разрешение по температуре 0,001°С достигается при времени измерения ti=F(T)⋅n±1,8 с, где n=57540 – коэффициент деления частоты измеряемого сигнала. Деление частоты измеряемого сигнала, заполнение и подсчет счетных импульсов осуществляется ресурсами контроллера 11. Для этого с выхода автогенератора 16 сигнал, частота которого определяется частотой колебаний термочувствительного резонатора 17, которая в свою очередь определяется температурой среды, поступает на модуль сравнения микроконтроллера, настроенный на коэффициент деления n. Далее сигнал длительностью ti поступает на вход модуля захвата таймера, счетчик которого тактируется сигналом опорного генератора ОГ. Запуск подсчета импульсов производится по фронту, а останов – по спаду измеряемого интервала. Код, пропорциональный частоте резонатора 17 пересчитывается в значение температуры в соответствии с характеристикой преобразования датчика 8.

Соленость рассчитывается в контроллере модуля по полученным значениям скорости звука и температуры.

Результаты оценивания солености в лабораторных условиях проверялись путем сопоставления данных о солености, рассчитанных по скорости звука и температуры опытного образца модуля, с данными солемера ГМ-65. В качестве калибровочной жидкости использовалась вода из глубоководного района прибрежной части Черного моря. Значения солености в диапазоне от 19 до 2 ‰ воспроизводились путем разбавления морской воды дистиллированной водой. При каждом значении солености проверки выполнялись при температурах калибровочных жидкостей от 5 до 35°С с дискретностью 5°С. Результаты испытаний показаны на фиг. 6. Как видно из распределения отклонений погрешность оценивания солености по данным прямых измерений скорости звука и температуры, находится в пределах ±0,03 ‰.

Устойчивость характеристик заявленного модуля к воздействию биологического обрастания и загрязнения оценивалась в натурных испытаниях, которые проводились в прибрежной зоне Черного моря. В этих испытаниях значения солености по данным модуля сопоставлялись с соленостью по данным датчика 3919 (№ 49675-12 в Госреестре средств измерений РФ). Оба прибора были установлены на кронштейне, закрепленном на скале (фиг. 6 А). Испытания проводились в течение более четырех месяцев в весенне-летний период в условиях интенсивного обрастания, последствия которого показаны на фиг. 6 Б. Датчик 3919 с целью исключения влияния обрастания и загрязнения помещался в исследуемую среду только на время сопоставлений. В результате испытаний диапазон отклонений составил ±0,05 ‰ (фиг. 6 В). Относительно большие расхождения связаны с методической погрешностью, обусловленной пространственным расположением приборов. Несмотря на это обстоятельство, результаты испытаний свидетельствуют о хорошей долговременной стабильности характеристик заявленного модуля в натурных условиях.

Claims (1)

1. Модуль оценивания солености морской воды на основе измерителя скорости звука, содержащий размещенные на общем основании электронный блок, включающий микроконтроллер, генератор электрических импульсов, отличающийся тем, что содержит времяпролетный измеритель скорости звука, первичный акустический преобразователь которого выполнен по дифференциальной схеме с термостабилизированной измерительной базой, расположенной в дальней зоне акустического приемо-передающего преобразователя и пространственно объединенной с измерителем температуры исследуемой среды.