Автоматизированная установка для градуировки измерителей скорости распространения звука в воде Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 001.89:004.31; 001.89:004.6

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ

© Н.А. Губин1, Д.А. Ченский2, А.Г. Ченский3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Для обеспечения требуемой точности измерений скорости звука в воде озера Байкал проведена градуировка, необходимость которой показана в статье, скоростемера Valeport miniSVS, предназначенного изначально для работы в морской воде. С этой целью разработана автоматизированная установка. В работе дана ее структурная схема, указаны основные блоки. Определены методика градуировки скорости звука, процессы получения данных и управления установкой, приведен интерфейс написанного программного обеспечения. Представлены результаты проведения градуировки скоростемера.

Ключевые слова: скорость распространения звука; скоростемер; сбор данных; программный модуль; автоматизированная система.

AN AUTOMATED PLANT FOR THE CALIBRATION OF SOUND WATER PROPAGATION VELOCITY METERS N.A. Gubin, D.A. Chensky, A.G. Chensky

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

To provide required accuracy of sound speed measurements in lake Baikal waters a Valeport miniSVS sensor originally designed for the operation in the sea water has been calibrated. The necessity of calibration is shown in the article and an automated plant is developed for this purpose. The article describes the block diagram of the installation and indicates its main units. It also determines sound speed calibration methods, identifies the processes of data acquisition and installation control as well as provides the interface of the developed software. The results of velocity meter calibration are given.

Keywords: sound propagation velocity; velocity meter; data acquisition; software module; automated system.

Исследование рельефа дна акваторий в настоящее время выполнятся при помощи различных гидроакустических средств: многолучевых эхолотов, гидроакустических профилографов, гидролокаторов бокового обзора. При акустической съемке определение расстояния L до дна производится путем измерения времени распространения звуковых колебаний от излучателя до объекта:

L = т/2, (1)

где Т - время прохождения зондирующего

сигнала до цели и обратно, °С; С - скорость звука в воде, м/с.

Как видно из формулы (1), точность измерения расстояния L зависит от точности определения величины скорости звука, которая изменяется в объеме воды при непостоянстве давления, температуры и степени минерализации. Поэтому во время съемки периодически, в зависимости от гидрологических условий, измеряют вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) в воде и вносят в расчеты соответствующие поправки. Если, например, погрешность измерения скорости распро-

1Губин Никита Андреевич, электроник отдела информационно-измерительных систем, аспирант, e-mail: [email protected]

Gubin Nikita, Electronic Engineer of the Department of Information and Measuring Systems, Postgraduate, e-mail: [email protected]

2Ченский Дмитрий Александрович, электроник отдела информационно-измерительных систем, аспирант, e-mail: [email protected]

Chenskiy Dmitriy, Electronic Engineer of the Department of Information and Measuring Systems, Postgraduate, e-mail: [email protected]

3Ченский Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, e-mail: [email protected]

Chenskiy Alexander, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Department of Radio Electronics and Telecommunication Systems, e-mail: [email protected]

странения звука составляет 1 м/с, то в глубоководной части озера Байкал (интересующая нас акватория) ошибка определения расстояния до дна может достигать А = 1,5 м. Погрешность при этом будет влиять не только на значение А, но и на точность определения координат точки измерения на дне.

Определение скорости звука возможно двумя методами: прямым и косвенным. Для прямых измерений используют скоростемеры: фазовые, импульсные, частотные. В косвенном методе ВРСЗ вычисляют для морской воды по формулам Вильсона, Пайка - Бейбора или Лероя с использованием значений измеренных гидрофизических параметров. Для пресной воды при Т е[0; 30] °С, £ е[0; 0,6] г/кг и

Р е[0; 180] бар наиболее известна формула Чена - Миллеро [7], которая имеет вид:

С = 1402,388 + 5,0371 • Т -

-5,8085 • 10-2Т2 + 3,342 • 10-4Т3 -

-1,478 • 10-6 Т4 + 3,146 •Ю-9 Т5 +

, 2 (2)

+(1,322 - 7,01 -10-3Т + 4,9 • 10-5Т2) • £ +

+[0,15564 + 4,046 •Ю-4 Т - 8,15 •Ю-7 Т2 -

-5,58 • 10-5 £ ] • Р +1,593 • 10-5 Р2,

где Э - соленость воды, %о; Р - давление, бар; Т - температура, °С. В указанных пределах среднеквадратичное отклонение вариаций скорости звука не превышает ±0,04 м/с [7].

Если оценивать с помощью формулы (2) влияние параметров Т, Э и Р на скорость звука, то можно заметить, что отклонение температуры на 1°С изменяет скорость звука на 5,037 м/с (при температуре воды от 0 до 5°С), отклонение давления на 1 бар (что эквивалентно изменению глубины на 10 м) - на 0,17 м/с. Изменение солености на 1 % приводит к изменению скорости звука на 1,2 м/с. Среднее значение солености в озере Байкал составляет около 0,096 г/л, а ее отклонение от максимальной

величины не превышает 30% [1]. Следовательно, отклонение скорости звука при изменении Э может достигать 12±0,4 см/с, чем для большинства задач гидроакустики можно пренебречь.

Основным фактором, влияющим на скорость звука в озере Байкал, является температура.

При проведении исследований на озере Байкал нами было выявлено расхождение значений скорости звука, измеренной скоростемером Valeport miniSVS [8], и рассчитанной (формула (2)) по гидрофизическим характеристикам, определенным по показаниям CTD зонда SBE 37-БМР-IDOMicrocat [6]. Скоростемер выполняет измерения в диапазоне от 1375 до 1900 м/с и имеет набор команд управления через последовательный порт RS-232, подключенный к персональному компьютеру (ПК).

Как видно из рис. 1, в одной из выбранных точек озера результаты расчета и измерений отличаются примерно на 1,8 м/с на всем временном отрезке наблюдения. Мы считаем, что данное расхождение вызвано тем, что скоростемер miniSVS про-градуирован на заводе для измерений в морской воде, в то время как минерализация воды Байкала значительно ниже.

Для дальнейшего использования скоростемера Valeport miniSVS в условиях Байкала необходимо было решить задачу градуировки измерителя скорости звука в диапазоне от 1402 до 1480 м/с, что соответствует максимально возможному диапазону значений в озере Байкал. Температуру воды при этом необходимо менять в диапазоне от 0 до 20 С°. В связи с необходимостью, повышения точности проведения большого числа измерений процесс получения градуировочных значений скорости звука осуществлен при помощи автоматизированной лабораторной установки, структурная схема которой показана на рис. 2, функциональная схема - на рис. 3.

Основными элементами установки являются информационно-измерительная система, ПК и комплексный датчик БеаВМ

Рис. 1. Скорость распространения звука в озере Байкал: ОТй (пунктирная линия) -расчетные значения; SVS (сплошная линия) - измеренные значения

Рис. 2. Структурная схема установки

ПК

Ethernet

i k R i k R

- -

2 2

3 3

2 2

> r

Valeport SBE-37

mini SVS SPB

CDAQ-9184

АЦП №-9219

реле №-9481

i k

' У r

RTD-100 Водонагреватель Водянная помпа

Термостатированная емкость с водой

Рис. 3. Функциональная схема установки для калибровки измерителей скорости звука

SeaBird SBE 37-SMP-IDOMicrocat -это прецизионный датчик для измерения в воде проводимости, температуры, содержания растворенного кислорода и давления. Управление SeaBird осуществляется с ПК через последовательный интерфейс RS-232.

Измерение температуры внутри термостатированной емкости делают в двух точках: вблизи калибруемого измерителя скорости звука при помощи датчика фирмы SeaBird и возле водонагревателя, отслеживая изменение сопротивления платинового термистора RTD-100 АЦП модулем NI 9219.

Изменение температуры воды выполняется установленным внутри емкости водонагревателем. Для равномерного нагрева вода внутри емкости перемешивается циркуляционным насосом. Водонагреватель и насос подключены к модулю электромеханического реле NI 9481.

Управление модулями выполняется через электронное шасси NI Compact DAQ9184 (cDAQ-9184) (рис. 3).

Процедура градуировки, используемая в алгоритме работы стенда, соответ-

ствует требованиям ГОСТ Р 8.870-2014 [2], методике проведения градуировки Р 50.2.019-2001[4] и поверочной схеме МИ 2352-95 [3]. В термостатированную емкость заливают охлажденную до температуры, близкой к 0°С, дистиллированную воду, которую затем перемешивают до тех пор, пока вода во всем объеме емкости не станет равномерно перемешанной. Вода считается равномерно перемешанной, если среднеквадратичное отклонение измеренных БеаВ^ значений температуры не превышает 0,01°С. Далее определяют среднее значение скорости звука за одну минуту. Процедура повторяется при последующем нагреве воды с шагом 1°С до 20°С.

Результатом градуировки являются данные соответствия измеренной скоростемером и рассчитанной по формуле Чена - Миллеро скоростей звука. Запись результатов градуировки и управление всей установкой осуществляется программой на ПК, разработанной в графической среде программирования ЬаЬУ1ЕМ 2013 [5]. Изображение лицевой панели программы управления показано на рис. 4.

Рис. 4. Лицевая панель программы управления

Для запуска калибровочной установки пользователю необходимо перейти на вкладку Current data. В этом разделе находятся элементы управления, позволяющие переключать режим работы установки на автоматический и ручной. В автоматическом режиме установка самостоятельно производит измерения по заданному алгоритму. Для переключения в режим ручного управления необходимо нажать на кнопку Manual. В режиме Manual пользователь может самостоятельно задать необходимый диапазон температур, продолжительность измерений, а также включать и выключать нагреватель и насос по своему усмотрению. В процессе работы установки информация, поступающая с датчиков, и записываемые данные отображаются с помощью индикаторов и графических панелей.

В разделе Settings программы можно выбрать модули NI, подключенные к электронному шасси сDAQ, и произвести их

конфигурирование, задать настройки используемых последовательных портов ввода-вывода, а также выбрать каталог для сохранения полученных данных. Используя вкладки в верхней части экрана, можно перейти в другие разделы: Current data, Read и Additional Information. В разделе Read можно запустить подпрограммы чтения и предварительного просмотра записанных данных. Вкладка Additional Information позволяет пользователю объединять на одном графике текущие данные и данные из выбранных файлов.

Программа разработана с возможностью сохранения данных в формате, совместимом с гидрографическим программным обеспечением Fledermause, Qi-mera и HYPACK.

С помощью созданной установки получены данные соответствия значений скорости звука, измеренных скоростемером Valeport miniSVS и рассчитанных по формуле (2), которые приведены в таблице.

Градуировочные данные скоростемера Valeport miniSVS

Температура, °С Скорость звука, измеренная скоростемером, м/с Скорость звука, рассчитанная по формуле Чена - Миллеро, м/с Разница, м/с

0 1403,93 1402,59 1,34

1 1408,9 1407,49 1,41

2 1413,75 1412,27 1,48

3 1418,49 1416,95 1,54

4 1423,12 1421,53 1,59

5 1427,65 1426 1,65

6 1432,06 1430,37 1,69

7 1436,37 1434,64 1,73

8 1440,58 1438,81 1,77

9 1444,69 1442,89 1,8

10 1448,7 1446,87 1,83

11 1452,61 1450,76 1,85

12 1456,43 1454,56 1,87

13 1460,15 1458,27 1,88

14 1463,78 1461,89 1,89

15 1467,31 1465,43 1,88

16 1470,76 1468,88 1,88

17 1474,12 1472,26 1,86

18 1477,39 1475,55 1,84

19 1480,58 1478,76 1,82

20 1483,68 1481,89 1,79

2

о

S 1,9

кГ 1,8

К

К 17

0J 1,7

g 1,6 ° 1,5

о

cö 14

CP 1,4

tö 1,3

К 1,3

К

К Ч (U

m

1,2 1,1 1

:

:

:

:

: • Разностная кривая -Полиномиальная (Разностная кривая)

:

:

:

:

: , , , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1380 1400 1420 1440 1460 1480 Измеренная скорость звука, м/с

1500

Рис. 5. Разность измеренной и расчетной скоростей звука для градуировки скоростемера Valeport miniSVS

На рис. 5 показан график разности измеренной и расчетной скоростей звука. Данная зависимость может быть аппроксимирована формулой

B = -1,2187639972 -10-6 • С 3 +

' изм

+5,1257587165 -10-3 • С 2 -

изм

-7,1723031340 • С + 3340,3356579,

изм

(3)

где, В - разница между полученным и рассчитанным значением скорости звука, м/с; Сизм - полученные с т^БУБ значения скорости звука, м/с.

Коэффициент достоверности данной аппроксимирующей функции составляет 0,9999. Откорректированное значение ско-

рости звука Сист определяется как

Сист = Сизм - В . (4)

Полученные градуировочные данные и формула (4) применены во время работы со скоростемером Valeport miniSVS при проведении гидроакустической сьемки многолучевым эхолотом в условиях озера Байкал.

Работа выполнена в рамках государственного задания № 1218 «Разработка гидроакустического профилографа с линейной частотной модуляцией для поиска аквальных газовых гидратов».

Статья поступила 18.12.2015 г.

Библиографический список

1. Аверин А.И., Хромешкин В.М. Опыт автоматической регистрации удельной электрической проводимости и температуры вод озера Байкал // География и природные ресурсы. 1980. № 4. С. 143-148.

2. ГОСТ Р 8.870-2014. Государственная поверочная схема для средств измерений скорости звука в жидких средах в диапазоне от 800 до 2000 м/с. Государственная система обеспечения единства измерений. М.: Стандартинформ, 2014. 4 с.

3. МИ 2352-95. Поверочная схема для средств измерений скорости звука в дистиллированной воде в диапазоне 1407-1620 м/с. Государственная система обеспечения единства измерений. М.: Стандартинформ, 1995. 6 с.

4. Р 50.2.019-2001. Методика поверки и калибровки. Измерители скорости звука в водной среде. Рекомендации по метрологии. М.: Стандартинформ, 2002. 6 с.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015614926. Программный модуль обработки и визуализации данных лабораторного стенда для калибровки измерителей скорости звука / Н.А. Губин, Д.А. Ченский, А.Г. Ченский. Дата регистрации: 29.04.15.

6. 7SBE S37-SL Sea-Bird Electronics [Электронный ресурс] / Sea-Bird Electronics. URL: http://www.seabird.com/sbe37si-microcat-ctd (10.05.2015).

7. Chen C-T.A., Millero F.J. Precise thermodynamic properties for natural waters covering only the limnolog-ical range // Limnol. Oceanogr. 1986. V. 31 (3). Р. 657662.

8. Valeport miniSVS [Электронный ресурс] / Se-atronics. URL: http://www.seatronics-group.com/assets/uploads/resources/2011/2/2b32a596-2aeb-493f-a296-4051d328da26.pdf (10.05.2015).