Измеритель пульсаций вектора скорости течений (ИПВСТ)

1. Общие сведения

  • Полное наименование: Измеритель пульсаций вектора скорости течений (ИПВСТ).

  • Назначение: Измерение трех компонент пульсаций вектора скорости течения (продольной, поперечной и вертикальной) для исследования турбулентности мелкомасштабных гидрофизических процессов в морской среде.

  • Тип датчика: Сферический, трехосевой, восьмиэлектродный, электромагнитный.

Измеритель пульсаций вектора скорости течений (ИПВСТ)
Измеритель пульсаций вектора скорости течений (ИПВСТ)

Внешний вид чувствительного элемента датчика ИПВСТ.

Датчик предназначен для измерения трёх компонент пульсаций вектора скорости морских течений в широком диапазоне частот. Он ориентирован на решение фундаментальных и прикладных задач океанологии, гидрофизики и экологического мониторинга, в частности:

  • исследование мелкомасштабной турбулентности и внутренних волн;

  • изучение процессов турбулентного обмена в пограничных слоях океана (придонном и поверхностном);

  • измерение флуктуаций скорости, не искажённых инерционностью механических датчиков и оптическими помехами.

2. Физический принцип работы

Принцип действия датчика основан на явлении электромагнитной индукции. При движении электропроводной морской воды в магнитном поле, создаваемом встроенными в датчик постоянными магнитами, на электродах наводится ЭДС. Согласно закону Фарадея, величина ЭДС прямо пропорциональна скорости потока относительно датчика. Это позволяет бесконтактным способом получать электрический сигнал, линейно связанный с компонентами вектора скорости.

Ключевой особенностью является измерение именно пульсационной составляющей. Для выделения высокочастотных флуктуаций (на фоне среднего течения) используется дифференцирующая цепь с подбором постоянной времени, обеспечивающая подавление постоянной составляющей сигнала.

3. Конструкция датчика

Конструкция датчика представляет собой обтекаемое тело (как правило, сферической формы), в котором размещены:

  • Магнитная система – постоянные магниты, создающие в рабочей зоне пространственно-неоднородное магнитное поле с известным распределением индукции.

  • Система электродов – несколько (обычно 8 для трёхосевого варианта) электродов, равномерно расположенных по поверхности и изолированных друг от друга. Электроды подключаются к входным каскадам измерительных усилителей.

  • Капиллярные каналы – для обеспечения надёжного электролитического контакта электродов с забортной водой при сохранении высокой пространственной разрешающей способности и исключения эффекта «застаивания» жидкости вблизи поверхности электрода.

4. Способ измерения вектора скорости

Датчик формирует несколько сигналов с различных пар электродов. Путём их линейной комбинации (с учётом геометрии электродов и распределения магнитного поля) вычисляются ортогональные компоненты мгновенной скорости потока Ux, Uy, UzUx, Uy, Uz. Таким образом, обеспечивается регистрация полного вектора скорости (его пульсационной части) без использования подвижных механических элементов.

5. Метрологические характеристики (согласно патенту РФ №2548126)

  • Тип датчика: электромагнитный, трёхкомпонентный.

  • Рабочая среда: электропроводная жидкость (морская вода).

  • Регистрируемые величины: флуктуации (пульсации) компонент вектора скорости.

  • Частотный диапазон: перекрывает область энергонесущих масштабов турбулентности и внутренних волн.

  • Преимущества: отсутствие механической инерции, линейность шкалы, высокая чувствительность в диапазоне малых скоростей (единицы мм/с), возможность работы в широком диапазоне внешних условий (давление, температура).

6. Научная новизна и отличие от аналогов

В отличие от механических и акустических измерителей скорости, данный электромагнитный датчик:

  • не содержит движущихся частей, что исключает собственные механические помехи и износ;

  • не вносит искажений в измеряемое поле скорости благодаря малым размерам и обтекаемой форме;

  • обеспечивает синхронное измерение трёх компонент вектора скорости в одной точке пространства;

  • позволяет эффективно подавлять синфазные помехи за счёт дифференциального включения электродов и высокоомных усилителей.

Может использоваться как в позиционном (неподвижном) режиме для исследования приповерхностного слоя, так и в зондирующем – для более глубоких слоев моря. Зондирующий вариант прибора предназначен для исследования тонкой структуры верхнего слоя океана с возможностью получения информации как по кабелю на бортовой компьютер, так и с помощью записи данных на флэш-память при работе в автономном режиме.

7. Основные технические характеристики

Параметр

Значение

Выходной сигнал

Три аналоговых сигнала 0…±5 В, пропорциональные компонентам вектора скорости Ux,Uy,UzUx,Uy,Uz

Количество измерительных каналов

3 (компоненты вектора скорости u, v, w)

Конструкция чувствительного элемента

Сферический зонд (диаметр 3 см) с встроенными магнитами и восемью электродами. Электроды размещены в камерах с капиллярами, сообщающимися с внешним потоком жидкости

Принцип действия

Электромагнитный (измерение ЭДС, наводимой в потоке электропроводной жидкости)

Измеряемые параметры

Диапазон

Разрешение

Точность

Три компоненты вектора пульсаций скорости, м/с

±2

10-3

±10%

Температура, ℃

0 – 30

0,001

±5%

Электропроводность, отн. ед.

0 – 0,9

2,5·10-5

±5%

Три линейных ускорений, м/с2

±20

0,002

0,002

Крен и дифферент прибора

±20º

0,01º

±1º

Угол азимута прибора

0 – 360º

10º

±5º

Давление, Мпа

0 – 1

5·10-4

±1%

8. Ключевые особенности

  • Высокая пространственная разрешающая способность — достигается за счет малого диаметра сферического датчика (3 см) и использования капиллярных камер для электродов.

  • Трехосевая конструкция — позволяет одновременно регистрировать пульсации скорости по трем пространственным направлениям.

9. Аппаратура

Датчик ИПВСТ входит в состав измерительного комплекса «Сигма-1» и «Донная станция».

Характеристики измерительных каналов комплексов «Сигма» и «Донная станция» аналогичны.

Комплекс «Сигма» измеряет три компоненты пульсаций вектора скорости течения – U', V', W', температуру и пульсации температуры, электропроводность и пульсации электропроводности воды, гидростатическое давление.

Измерители системы контроля положения условной оси комплекса «Сигма» относительно магнитного меридиана (азимут) и плоскости горизонта (крен-дифферент) позволяют учитывать движения самого прибора и однозначным образом связывать измеренные величины компонент вектора скорости течения с неподвижной системой координат. Кроме того, эти данные используются для исключения из показаний каналов измерения флуктуаций компонент вектора скорости течения тех составляющих, которые обусловлены собственными колебаниями прибора.

Измеритель «Сигма-1» в позиционном режиме

Измеритель «Сигма-1» в позиционном режиме.

Измеритель «Сигма-1» в позиционном режиме

Измеритель «Сигма-1» в зондирующем режиме.

Измеритель «Сигма-1» в позиционном режиме

Измеритель «Сигма-1» в зондирующем режиме. Подготовка к зондированию с борта НИС.

«Донная станция» предназначена для исследования процессов взвешивания, переноса и переосаждения донного осадочного материала в прибрежной зоне моря под воздействием гидрофизических процессов

Измеритель «Сигма-1» в позиционном режиме

Измеритель «Донная станция».

10. Список источников

  1. Зубов А.Г., Павленко О.Н. Описание электронной части и программного обеспечения измерительного комплекса «Сигма-1». – Севастополь: Морской гидрофизический институт (Источник: msoe.ru).

  2. Патент РФ № 2412447. Устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости / Барабаш В.А., Дыкман В.З., Ефремов О.И., Зубов А.Г., Чухарев А.М. – Опубл. 20.02.2011. Бюл. № 5 (Источники: ИСТИНА МГУ, patenton.ru).

  3. Чухарев А.М. Диссертация (Морской гидрофизический институт РАН). – Севастополь (Источник: mhi-ras.ru).

  4. Чухарев А.М., Зубов А.Г., Павленко О.И. Применение измерительного комплекса «Сигма-1» для подспутниковых измерений параметров мелкомасштабной турбулентности // Материалы конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». – Москва, 2019 (Источник: conf.rse.geosmis.ru).

  5. Дыкман В.З., Ефремов О.И. Электромагнитный датчик для измерения флуктуаций вектора скорости течения // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2000. – С. 318–324.

  6. Патент Российской Федерации № 2548126. Устройство для измерения пульсаций скорости потока электропроводной жидкости / Ефремов О.И., Дыкман В.З., Барабаш В.А. – Опубл. 10.04.2015. Бюл. № 10.

  7. Дыкман В.З., Ефремов О.И., Барабаш В.А. Донная станция на базе электромагнитных датчиков (описание полевых испытаний: глубина ~2 м, частота дискретизации 500 Гц, спектры пульсаций Su, Sv, Sw). – Источник: обобщённые данные по патентам и публикациям.

  8. Патент РФ № 2548126 (дополнительно): Ефремов О.И., Дыкман В.З., Барабаш В.А. – Опубл. 10.04.15. Бюл. № 10.

  9. Самодуров А.С., Дыкман В.З., Барабаш В.А., Ефремов О.И., Зубов А.Г., Павленко О.И., Чухарев А.М. (авторский коллектив комплекса «Сигма-1» в целом) – обобщённые данные по публикациям МГИ.