автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Разработка и исследование метода и способа измерения числа Ричардсона и частоты Васиела-Брента в природных условиях

іСОСАЧ НАТАЛІЯ ІГОРІЬііЛ

У&і 53^,517.08

РОЗРОБКА 1 ДОШДі&НШі ІСТОДУ І ЗАСОВУ ВИМІРЮВАННЯ ЧИСЛА РІЧАРДСОНА І ЧАСТОТИ ВЯІіСШі-БРйіїГА В НАТУРНИХ УКО'ЬАХ

Спеціальність: 05.II. 15, Метрологія і метрологічне забезпечення ’

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків—Ї992

Працю виконано в Харківському державному науково-виробни-« я •

чому об'єднанні “етрологія .

Науковий керівник: к.т.н., старший науковий співробітник Большаков В.Б.

Офіційні опоненти: д.т.и., професор Себко З.іі.

к.т.н., доцент Марков Е.Ф.

Провідна установа: НДй Укрводгео

Захист відбудеться і(3 " Qfi* 199jp. о годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради ^ 041.08.01 при Харків-ськону державному науково-виробничопу об’єднанні «етрологія за адресою: 310078, Харків, вул. ^иронос ицька, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці об’єднання.

Автореферат розіслано " /& " О/

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради 0 ^ ^упко B.C.

к.т.н. " І’ /•

_

ЗАГАЛЬНА ХАРАіСГЕНіСПМА ПРАЦІ

Актуальність праці,

У водах Світового океану в зосереджена велика кількість природних ресурсів. Майбутнє бурхяивозроетаютго населення планети є тісно пов'язана з перспективами освоєння floro мінеральних, біологічних і енергетичних запасів. На сучасному етапі практичної діяльності лізини проблема освоєння Світового океану є тісно пов’язана з проблемою його комплексного вивчення.

Зараз спостерігається -зроставшії Інтерес до досдідхення градієнтів різних гідрофізичних характеристик океану, пов’язаний в перлу чергу а аналізом вертикального теплокасоперенесения і стійкістю руху.

НаЯіяїюриативяішимн градієнтним« безрозмірними величинами, які характеризують динамічну стійкість стратифікованой структур*

океану, е число Рі чардсона (Ri) і частота Вяйсяля-Врента (N) *

Е>-~ -Ж— ■ д/2-----£l . fj)

L /3\¿\2 7 ,v f di

\diJ

По суті, адсло Річардеона являє собою відношення потенціальної енергії до турбулентної і характеризує здатність ивядкості зсуву генерувати турбулентну енергію по віддаванню до здатності градієнту хустини її ослаблювати. Частота Вяйсяля-Вренга - частота плавучості - частота влясапг коливань рідини у стїйко-стратифіковано му середовищі є мірою вертикальної гідростатичної стійхрсті ст ратифіковано го океану, яка характеризує динамічний стам морського середовища. Частоту Вяйсяля-Врента мокка розглядати як теоретично граничну величину “ всі реальні icoлкванн? /внутрттп хвилі/ відбуваються з нижчими частотами.

% сьогодні основним методом визначення числа ї частоти

N е їхнє обчислення на основі емпіричних даних про солоність «З , температуру Т . тиск Р середовища і швидкості течії V а точці

вимірювань. Визначення (¿і і N вимагає синхронних вимірювань полів густини води ивидкості течій з мінімальної) від-

даляв між вимірювальними пристроями, тобто для виконання даної задати є необхідні прилади а високим просторо во-часмии роз,в’язан -ням. % правило, поставлені вимогиодно час но незабезпечення оперативності, точності ірозв’язупчо'т8дат:юсті при вимірюваннях гідрофізичних параметрів задовольнити надто складно.

В зв’язку з усе зростаючім інтересом до реальних величин чисел ^ічардсона і частоти Вяйсяля-Врента і маючи на увазі тенденцію сучасного океанологічного приладобудування до комплексності і багатоканальност і, уявлється вельми актуальною і своєчасною постановка питання про створення спеціального приладу ” Лі-метр" за допомогою якого процедура визначання чісла Яі і частоти А/ зробилася б у практиці океанологічних досліджень такого х звичайною, як, наприклад, вимірювання температури або ввидкості течії.

^ета праці;

- розробка методу і засобу вимірювання числа Річардеона і частоти Вяйсяля-Врента в натурних умовах, які мають необхідну розв’язуючу здатність і нормовані похибки вимірювання;

- створення метрологічного забезпечення для реалізації розробленого методу вимірювання чюла Ш. і частоти N - електромагнітного вимірювача /МІД вимірювача/ двох компонентів вектора швидкості сіданнях потоків;

- дослідження метрологічних характеристик розроблених вимірювачів вектора ивидкості течії, шела Річардеона і частоти Вяйсяля-Врента.

Наукова новизна праці полягає в тому, що в ній улерпе:

- теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено можливість визначити «исло Річардеона і частоту Вяйсяля-Брена однією групою скануюся* вимірювачів гідрофізичних параметрів середовища, коли місце знаходження останніх визначається за часом і вертикаль-

ним компонентом нвидкості сканування; ,

- розроблено методику ви знате кня числа Ргчардсона і частоти Вяйсяля-Вренга однією групою скануючих вимірювачів, коли місце знаходження останніх і градієнти вимірюваних параметрів середовища визначаються за часом і вертикальним компонентом швидкості;

- для забезпечення розробленого методу вимірювання Ні і N створено МГД _ вимірювач двох компонентів вектора пвидкості рідинна* потоків;

- теоретично і експериментально дослідетно: залежність показів МГД_ вимірювачів швидкості течій від фізяко-хімічних властивостей вимірюваного середовища; діаграму спрямованості сферичного МГД _ вимірювача з подібною магнітною системою, визначено умовк, за яких такі засоби вимірювання /З В/ забезпечують незалежне, синхронне вимірювання двох компонентів вектора швидкості рідинних потоків, розміри області формування сигналу /робочої області/ таких ЗВ, установлено залежність розмірів робочої області вимірювачів від конструктивних параметрів перетворювача; залежність чутливості сферичного МГД- вимірювача двох компонентів вектора швидкості від конструктивних параметрів його перетворювача і від режиму обтікання осередненим потоком в широкому діапазоні вдсел Рейнольдса; визначено оптимальні конструктивні параметри МГД- перетворювача і умови, за яких градуювальна характеристика таких ЗВ е лінійною і його покази практично не залежать від числа Рейнольдса (Не.) ;

- розроблено експериментальний макет комплексного вимірювача числа Річардсона і частоти ВЯйсяля-Врента — ЗВ ”#?і:-»івтрГ

- розроблено Програму і методику атестації електромагнітних вимі-

* Пп

рювачів швидкості і Програму і методику атестації1 комплексного вимірювача - метр ; ,

- зроблено експериментальні дослідження метрологічних характеристик розроблених МІД- вимірювача двох компонентів вектора твидкоети ЕВВШ і комплексного вимірювача " £і-- метр". .

_ б _

На захист виносяться;

1. Методика визначення вертикальних компонентів градієнтів

гідрофізичних параметрів досліджуваного середовища за часом і швидкістю сканування вимірювачів. .

2. Обгрунтування можливості незалежного вимірювання двох ком-

понентів /вертикального і горизонтального в напрямку течії/ вектора швидкості довільно спрямованого потоку рідини за допомогою сферичного МГД- вимірювача з відповідною подібною магнітною системою і- двома парами належним чином розташованих вимірювальних електродів. ' 1

3. Обгрунтування раціональності вимірювання числа Річарцсона

і частоти Вяйсяля-Бренга однією групою скануючих вимірювачів гідрофізичних параметрів середовища, коли Нісце знаходження останніх визначається за часом і вертикальним компонентом швидкості сканування. .

4. Результати досліджень: .

- метрологічних характеристик існуючих методів і засобів вимірювання Кй і N ;

- оптимальних конструктивних параметрів сферичних вимірювачів двох компонентів вектора швидкості рідинних потоків;

- ступеня залежності показів таких МГД- вимірювачів від фізикохі-

мічних властивостей вимірюваного середовища; їхнох ортогонально-сті, тобто здатності вимірювання синхронно-незалежним шляхом двох компонентів вектора швидкості рідини, діаграми спрямованості, конфігурації і протяжності області просторового осереднення, метрологічних характеристик; .

- метрологічних характеристик макету.-" Ці -метр": графуювальніх характеристик вимірювальних каналів " (¿і" і " N ", залежності пока- * зів від швидкості, і частоти скасування, а тахож від градієнтів

** швидкості і температури вимірюваного середовища.

фактична цінність і реалізація праці.

На підставі результатів виконаної роботи розроблено метод і засіб вяміртаальнзя числа Річаддсона і частоти Вяйсядя-Брента -

ЗВ "Ш

- метр , який дозволяв в реальному насптайі часу за достатньо високої розв’ язугчо'тздвтності робити вкміртааккя значень & і А/

9 детормінованзши похибками в натурних умовах.

Для забезпечення розробленого методу створено МГД- вимірювач двох компонентів вектора швидкості рідинних потоків.

Розроблені сяиіртеачі забезпечують комшюксне дослідження структури стратифікованого яару охеаіу з науково-дослідного судна, їхнє впровадження у практику гідрофізичних досліджень підтверджено ВІДПОВІДНИМ Актом.

Апробація праці. . .

Основні положення і результати дисертацій«? роботи доповідались і одержали позитивну оцінку на і Р-есовзній конференції ^Про-блемя стратифікованих течій" /м. Ерьсала, ІЗббр,/, III Всесоюзній науково-технічній конференції Метрологія в дальиометрії /и.Хараів, 1988р./, IIІ Всесоюзній иколі-семінарі Методи гідрофізичних дослідвзнь" /м.Світлогорськ, 1989р./, II Всесоюзній конференції _ Проблеми стратифікованих течій" /м. Канів, І99Ір.Д & И*колі-сеиінарі Негоди гідрофізичних досліджень /м. Світлогорськ, 1992р./

Публікації.

Йо темі дисертації опубліковано II праць, список яких подано в кінці реферату.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, чотирьох глав, висновку,

спясоя вяЕорястаної літератури, в який занесено *38 найменувань, додатків. Вона містить 133 сторінок основного тексту, 20 рисунків і 5 таблиць.

31ІСТ ПРАЦІ .

У вступі коротко розглянуто роль і місце одсла Річарцсона і частоти Вяйсяля-Бренга при вивченні динамічних характеристик стратифікованої структури океану. Показано основні труднощі визначення Ні і Л/ і актуальність розробки вимірювачів числа Річарцсона і частоти Вяйсяля-Бренга. •

У першій главі наведено аналіз методів і засобів вимірювання числа Річарцсона і частоти Вяйсяля-Брента в натурних умовах. Показано, що:

- на сьогодні в гідрометрічній практиці є відсутні атестовані засоби вимірювання & і N ;

- розрахунок Ні і А/ за експериментальними даними гідрояогичних

спостережень і вергушечних вимірювань течій при обчисленні градієнтів гідрофізичних величин не забезпечує необхідної точності визначення цих параметрів і дозволяє одержувати лише їхні якісні оцінки; ‘

- розв’язуюча здатність традиційного способу вимірювання Чі і Ы е порядку їм- флуктуації гідрофізичних параметрів саме таких масштабів реєструються рознесеними на відстань ~ І м двома групами відповідних вимірювачів Б , Т , Р і V ;

- похибки вимірювання числа & і частоти N в натурних умовах за

допомогою існуючих методик, методів і засобів вимірювання можуть досягати значних величин - 20056, ^ ~ 20-50%; в сезонному термо-

клині - <%~50_І00$, <- 5%,

' °тже, існуючі зараз методи і засоби вимірювання Ні і N в натурних умовах не відповідають потребам океанологічних досліджень

- мають низьку точність вимірювань і не вне оку ро з в • язу ючу зд ат н і ст ь.

В зв’язку з цим у праці поставлено такі задачі: а/ розробка методу і засобу вимірювання йі і N в натурних умовах, які махи 6 високурозв’язуючуздатність і прийнятні нормовані похибки; ■ . •

■ _ 9 _

б/ дослідження основтх метрологічних характеристик розробленого вимірювача «ясла Річардсона і частоти Вяйеяля-Врента.

У другий главі здійснено розробку методу вимірювання йі і А/ за допомого в скануючого £ТРУ зонду. При цьому вимірювання

і N здійснюється за допомогою однієї групи скануючих вимірювачів, коли горизонт вимірювання і градієнти гідрофізичних параметрів досліджуваного середовища визначається за часои і і вертикальним компонентом швидкості сканування У± - швидкості зворотно-поступального руху вимірювачів у вертикальній площині, який викликається, наприклад, хитавицею НДС, 3 борту якого найчастіше робляться океанологічні роботи.

Нк алгоритм для визначення N і Ні використовувалисьвирази (О , в яких, відповідно до гіпотези Тейлора, виконано перехід від просторової метрики до часової;

и* -2-і- . р;~ Л'2—

М-? й н , *-(£$£)< '

Гіпотеза Тейлора, а тоже і прийнятий алгоритм (2) , певно справджуються тоді, коли варіації швидкості в напрямку осередне-ного руху є малі порівняно зі швидкістю сканування. Очевидно, що ця умова при океанологічних дослідженнях напевно виконується, оскільки величина пульсацій швидкості в натурних умовах є порядку І см/в, вертикальна ж швидкість сканування, пов’язана з хитавицею судна, 50 см/с.

Розв'язуїяа. здатність цього методу, зумовлена сталою часу вимірювачів осереднених значень термодинамічних характеристик і пвидкістю з ео ротно-поступального руху вимірювачів, досягав 0,1 м, що є на порядок краще, ніж в існуючих способах. ‘

Одначе похибки вимірювання числа Яі і частоти N в натурних умовах за допомогою скануючого ¿ТРУ зонду все ж залишаються досить великими: <%'*' І50£, « '¿0%, Ц„ 06умовл«мп —

рологічними характеристиками існуючих вимірювачів швидкості течії. Для реалізації розробленої методики вимірювання числа Річардсона і частоти Вяйсяля-Брента з нормованими похибками необхідно забезпечити високе вимірювання двох компонентів /вертикального і гори- -зснтального вздовж течії/ вектора швидкості рідини. Вимірввачи мусять бути реверсивними.

Проведено аналіз існуючих методів і ЗВ вимірювання швидкості рідинних потоків, який показав, що найбільше задачі вимірювання двох компонентів вектора швидкості в поверхневому шарі океану відповідає електромагнітний метод, і створені на його основі МГД-вимірювачі; що мають високу механічну міцність, надійність, здатність робити вимірювання в аерованих і забруднених середовищах.

Ці вимірювачі е безенерційні, їхній вихідний сигнал є електричний. Встановлено, що задачі вимірювання двох компонентів вектора швидкості течії найбільше відповідають сферічні МГД- вимірювачі з Ш- подібною магнітною системою. .

Однак;, досі залишається відкритті питання про залежність показів таких вимірювачів від фізико-хімічних властивостей рідини, в який робляться вимірювання; існують надто суперечливі думки стосовно їхної ортогональності, тобто здатності вимірювати не залежним чином синхронно два компоненти вектора швидкості довільно спрямованого потоку рідини; не досліджено ступінь залежності показів від різних режимів їхнього обтікання осередненим потоком рідини - числа Рейнольдса; не визначено діаграму спрямованості і конфігурацію області просторового осереднвння таких вимірювачів.

Без відповідей на поставлені питання неможливо використати

сферичні МГД- вимірювачі швидкйоті як ЗВ двох компонентів вектора

_ ' • і

швидкості в розроблюваному вимірювачі числа Річвдсона і частота Вяйвяля-Вренга в поверхневому ст ратифіковано му шарі океану.

_ ІІ _

Розв’язуванню цих задач присвячено третю главу.

Робота МГД_ вимірювачів грунтується на тому, що під час руху електропровідної рідини в магнітному полі вимірювача в ній індукується електричне поле £, пропорційне швидкості течії рідини і індукції, 3 магнітного поля приладу Е= [у/В^ . Сигналом МГД_ вимірювача є річниця потенціалів Ч> = ~Г?Е, яку знімають з його електродів, вказано, ідо сигнал таких вимірювачів визначається густиною | електричних струмів, індукованих у вимірюваному потоці рідини, який переміщується я магнітному полі вимірювача.

С 4-м,

де Є~ - електропровідність рідини; сії - елемент контура інтегрування і , що сполучає електроди % і Е^МГД-вимірювача.

При застосуванні вимірювачів швидкосі І в умовах стратк-фікованого океану, де середовище може бути істотно неоднорідним (б"='/о./-), принциповим питанням є оцінка ступеня впливу неоднорідності вимірюваних потоків рідини на покази вимірювачів.

Оцінку ступеня залежності показів ИГД_ вимірювачів від фізико-хімічинх властивостей середовища проведено на основі аналізу його електричної моделі, яка відображає струма вий механізм роботи таких приладів.

¡Ьказано, що покази МГД- вимірювачів залежать від опору середовища, міжелектродного проміжутку і вимірювального приладу; в разі однорідного середовища залежність їхніх показів фізкко-хіміч-них властивостей середовища, як відомо, можна звести до прийнятного мінімуму шляхом збільшення вхідного опору вимірювача; в разі неоднорідного середовища шкази ^ГД- вимірювачів залежать від фізико-хімічних властивостей середовища незалежно від величини вхідного опору вимірювача; одним з шляхів зниження даної залежності в неоднорідних штоках є змвньтення області просторового осере-

днэккя ЗВ. Означено протяжність і конфігурацій області просторового осереднення мгд- вимірювачів двох компонентів вектора швидкості на основі аналізу їхної узагальненої вагової функції V/,

(3)

■ л

яка описує вкдад елементарних об’ємів вимірюваного потоку в сигнал вимірювача. Тут Л. - об’єм рухомої рідини.

Узагальнена вагова функція \Л/ визначалася в результаті знаходження розподілу електричного потенціалу ф у вимірюваному потоці рідини, що обтікає ИГД- перетворювач, на основі розв’язку класичної задачі Неймана для рівняння Пуассона:

со

Для визначення у явному вигляді И/ було знайдено розподіл вектора магнітної ііщукції В поля розсіювання магнітної системи МГЦ- вимірювача у вимірюваному потоці рідини. Розподіл магнітної івдукції В в робочій області перетворювача визначається на основі розв'язку диференційних рівнянь

за таких природних межових умов:

$Н-т. Ш~о,

де В0 - характерна значення магнітної індукції;

Ы.* уЗ • С - параметри, що характеризують розміри центрального полюсу магнітопроводу, велишну паду під катушку абуджанг ня магнітного поля і протяжність усієї магнітної системи МГД- вимірювача. .

_ АЭ _ >

Зроблені розрахунки показали, що область просторового осе-реднення розглядуваного вимірювата:

- симетрична відносно баз електродів;

- в основному сконцентрована над центральным полюсом магнітопро-воду, її протяжність не перевищує 1,5-2 радіуси (&>) центрального полюса магнітопроводу і не залежить від величини винесення електродів у потік;

- являє собою деякий квазіконічний трохи витягнутий вздовж бази електродів об'єм вимірюваного потоку.

Відповідно до результатів виконаних досліджень установлено такі геометричні параметри і місцезнаходження електродів в МГД-вимірювачі, за яких його область просторового осереднення буде локалізована в безпосередній близькості від міжелектродного проміжку і неоднозначність показів розроблюваного ЗВ, обумовлена неодноріднії» середовища в умовах реального поверхневого шару океану, не пере вищу ватжме Н>.

Виконано дослідження орготональності вимірювача швидкості.

На основі аналізу узагальненої вагової функції \Л/сферичного МГД- вимірювача швидкості з подібною магнітною системою показано, що для того, щоб даний вимірювач мав оргогональність, необхідно, щоб його магнітна система булаосесиметричною.а кожна пара електродів розбатовувалася на взаємно перпендикулярних базах.

При цьому кожна пара електродів реєструватиме синхронно і незалежне тільки одну ортогональну вазі електродів складову вектора швидкості потоку.

При розробці МГД_ вимірювачів швидкості істотним в питання про їхню чутливість і? . Через те, що покази вимірювачів (3)^ в значній мірі визначаються місцезнаходженням електродів і структурою магнітного поля перетворювача, тобто його конструктивними параметрами, то виникає необхідність визначення оптимальных конструктивних параметрів первинного перетворювача, за яхих його покази

в припустимій мірі залежали б від режиму обтікання, тобто числа Рейнольдса. Для вияснення цього питання було визначено сигнал МГД_ вимірювача при Його обтіканні довільним потоком рідини на основі розв’язку відповідної кроєвої задачі (4) .

При цьому розподілу швидкості у вимірювальному довільно спрямованому потоці рідини в звичайній сферичній системі координат в широкому діапазоні чисел Re. вимірювався шляхом таких інтерполяційних. поліномів /відомих по літературним джерелам/:

= ^^'■(yeíísinecc&sVovSiAesinS + Volcóse)

%= á D<= (¿-0,5K)(VDxCcs&tos£+Vo!/easGslng- Va sin&), ( b)

¿ao * ' ' .

Ve= á Ьк [~f-(і-Ц5К){- VcxSÚLi * Vtvcosf), де V0^¡Voj> Veг ~ компоненти вектора^ивидкості незбуреного вимірюваного потоку; 5" - безмірний параметр, який характеризує товщину ізоляційного покриття обтікача сферичного МГД_ вимірювача.

Значення коефіцієнтів 1)к для різних Re. визначалися по епюрах швидкості в околі обтичної сфери.

Безрозмірна відносна чутливість МГД- вимірювача згідно з виразами (4) і (Ь) визначалися так: .

4= - =• V $ rfnhx R¿(Ccsf) П, ,л[ П.+4-t-f _ /_£_ ]с) _

^ V08o£ іїїіо(^<Хг^кн)(Б+їГ'< І? КЛ n,-n W'..v

_ (H-MüL+c+t)1 {oJ

J *

де Y ~ величина винесення електродів у потік.

Вираз (&) дозволяє врахувати вплив швидкості потоку на чутливість МГД_ вимірювача вектора швидкості у всьому можливому діапазоні зміни чисел Рейнольдса.

Аналіз виразу (&) показав, що величина винесення електродів у потік не-збільшує чутливість вимірювача, а навіт трохи її зни- . жує. В зв’язку з ним можна зробити висновок про нераціональність винесення електродів у вимірюваний потік.

На рис. І і 2 подано графіки залежності чутливості £0 і неоднозначності показів ÍSo % від місцезнаходження електродів за різ-

Pic. I.

í-¿»<2wi; ¿-Ыгт^Шнн;

k-í= 95мм .

Ріс.

них режимів обтікання (тисел йе) НГД_ вимірювача. Иіжвлектрона відстань варіювалася в межах 12 < £ 4 100 им. Електроди розташовувались врівень з тілом перетворювача. Одержані резульати показали, що існує така місцезнаховдення електродів, за якого неоднозначність покавів вимірювача, пов'язана з різними режимами обтікання, не перевищуватиме будь-якої скільки завгодно малої наперед заданої величини за достатньо високої його доливості. ^становлено, що при розгадуванні електродів поблизу внутрішнього крав зовнішнього полюсу магнітопроводу неоднозначність показів пов’язана з різними режимами обтікання ИГД- вимірювача, не перевищуватиме 2£ за по рогової г чутливості І см/с 10”^ або за Й- ~ 5 В ~ 600Іс. і

шумів електронної апаратури вимірювача швидкості І мкВ його по-, рогова чутливість буде на рівні І сч/с).

В закінченні глави наведено результати експериментальних досліджень діаграми спрямованості, чутливості і грвдуювальної характеристики розробленого на основі одержаних результатів МГД_ вимірювача двох компонентів вектора швидкооті довільно спрямованого потоку рідини. Дослідження виконувалися за розробленою і затвердженою "Програмою і методикою метрологічної, атестації вимірювача вектора швидкості /ЕВВШ/" на дослідному басейні Інституту гідромеханіки АН України. •

Показано, що розроблений сферичний електромагнітний, вимірювач вектора швидкості рідинних потоків з подібною осесиметричною магнітною системою має ортогональність, тобто забезпечує незалежне оюосроннз вимірювання двох компонентів вектора швидкості довільно спрямованого потоку рідини, відносна середня квадратична похибка відхилення його діаграми спрямованості від ідеальної в широкому інтервалі зміни кута набігання потоку /-5°4 6 4 185®/ не перевищує 5%, що знаходиться в межах точності експерименту; має реверсивність і лінійну градуювальну характеристику; по рогова чутливість вимірювача є на рівні і см/с.

Результати виконаних експериментальних досліджень зафіксовано відповідним протоколом.

Главу четвергу присвячено досліджв отз метрологічних характеристик розробленного вимірювача числа Річардсона і частоти Вяйсяля-Брента - ЗС " -метр".

Ь основу вимірювача " Яі -метр" покладено розроблену методику вимірювання градієнтів гідрофізичних параметрів середовища за допомогою скануючих вимірювачів, коли місцезнаходження останніх визначається за часом і вертикальною швидкістю їхнього зворотно-поступального руху.

В розробленому вимірювачі " Ні - метр" реалізовано такі наближені

алгоритми розрахунку осередненях значень квадрату частоти N

і числа Яі „ -,

А/

’ {п)

які випливають з достатньо обгрунтованих прйпущрчь про те, що:

- варіації солоності в поверхневому шарі океану в кожному конкретному регіоні досліджень в процесі проведення вимірювань, як правило, є малі і градієнт густини можна обчислити згідно з співвідношенням

І.2Ї.--*!}; (а)

- при визначенні вертикального градієнта густини морського середовища /його коефіцієнта термічного розширення оС / в регіоні досліджень можна обмежитися завданням замість вертикального розподілу солоності води її середнього значення для шару вимірювань.

Тут (7,8) - час осереднення, Уц*''/йц + Чі$ - вектор швидкості течії.

Прийнята методика осереднення (7) виключає неоднозначеність в Ці , зумовлену можливою рівністю нулеві в окремі моменти часу його знамеютка, і забезпечує високу стабільність обчислення середніх значень А/2 і Яі за відповідного часу осереднення *£ .

_ 18 _ . . Початковими даними для обчислення і Нг були результати вимірювання швидкості течії і вертикального компонента швидкості сканування да допомогою розробленого на основі виконаних дослід- _ явнь електромагнітного вимірювача вектора швидкості - ЕВШ і температури середовища - за допомогою термоопірникового вимірювача ВРГ_5# розробленого СКТБ "Турбулентність" /м. Донецьк/.

Розроблений вимірювач числа Річардсона і частоти Вяйсяля- _ Брента згідно в ДОТ В.437 відноситься до ін$ор<аційно-вимірюваль-них систем /ІВСД бо являє собою сукупність об’єднаних обчислювальних і вимірювальних засобів, за допомогою яких на основі відповідних алгоритмів (?) за поданими на вхід вимірювача значеннями швидкості течії, вертикальної.;,швидкості сканування і температури середовища здійсняється обчислення значень Л/г і Яі

Виконано дослідження метрологічних характеристик ІВС метр". Відповідно до ДЕСТ 8.326 вони проводилися комплектно за розробленою "Програмою і методикою метрологічної атестації вимірювача " &- метр" так:

. І/ на входи контрольованих каналів З В » -метр" подавались зразхові значення електричних сигналів, яхі відповідають вимірюваним величинам; швидкості сканування \Д , швидкості течії V# і температурі середовища Т ;

2/ результати вимірювання А/*і на виході вимірювача

* 2і - метр" порівнювалися з відповідними їм значенням сигналів, обчислених відповідно до реалізованих алгоритмів (?) , в результаті чого визначишся похибки вимірювальних кажалів " А/2 " і При цьому значення N і & визначалися у можливих інтервалах аміну градієнтів термогідродинамічних величин в натурних умовах: *

температури середовища - /0-5/° с/м; швидкості течії - /1,5-5/* 10 ' м/с/мі швждиості сканування - /0,3-1/ м/с.

При проведені досліджень метрологічних характеристик ІВС

* Яі - метр" визначалися градуювальні характерістнки каналів вимірювання А/2 і Ні , а також похибки, обумовлені моаянзими в натурних умовах варіаціями термогідродинамічних параметрів досліджуваних середовищ, швидкості і частоти сканування вимірювача.

Проведені експериментальні дослідження МХ розробленого макету ІВС " Ні

-метр" показали, що:

- градуювальні характеристики по обох каналах вимірювання N ї Рі

с лінійні;

- зведені середні квадратичні інструментальні похибки вимірювання ыг і (а за можливих в натурних умовах варіацій термогідродинамічних параметрів досліджуваних середовящ не перевищують

- межі зведеної основної припустимої похибки виміріжань, зумовле-

ної максимально можливими в умовах відкритого океану при виконанні гідрологічних робіт з дрейфуючого судна змінами частоти і пвид-кості сканування не перевищують: по каналу "Д/г" - 12,3^, по каналу " Ці- " - за Р =0,95.

Результати проведених досліджень оформленовідгювідшм протоколом.

Розроблений макет комплексного вимірювача числа Річарцсона і частоти Вяйсяля-Брента " ¡¿і - метр" пройшов апробацію в натурних умовах. За його допомогою досліджувались амплітудно-частотні характеристики внутрівніх хвиль і енергетика сезонного термоклину в умовах відкритого океану в рамках експедиції інституту космічних досліджень. Одержані за його допомогою наукові результати дозволили розширити знання про динаміку поверхневого пару океану. Впровадження вимірюваача " - метр" в практику океанологічних дослід-

жень підтверджено відповідним актом.

• . _ 20 _ -. ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

Результати виконаної дисертаційної праці дозволяють зробити такі висновки.

1. Розроблено методику вимірювання числа Річардсона і частоти Вяйсяля-Брента за допомогою однієї групи скануючих вимірювачів, коли місцезнаходження останніх і значення вертикальних градієнтів гідрофізичних параметрів середовища визначаються за часом і швидкістю скачування. Використання такої методики дозволяє полі плити на порядок розв’язуючу здатність і точність вимірювання частоти N і числа Ні в натурних умовах.

2. Для реалізації запропонованої методики розроблено вимірювач двох /вертикального і горизонтального вздовж напрямку потоку/ ком-, по не нт і в вектора швидкості. Розробку здійснено на базі сферичного мгд_ вимірювача вектора швидкості з подібною магнітною системою.

3. В результаті виконаних теоретичних і експериментальних досліджень визначено геометричні і конструктивні параметри МГД- перетворювача швидкості, за яких:

- залежність показів таких З-В, зумовлена зміною фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища, не перевищує *%\

- З В мають оргогональність, тобто забезпечують незалежне: синхронне вимірювання двух компонентів вектора швидкості - відносна середня квадратична величина відхилення діаграми спрямованності вимірювача від ідеальної в широкому інтервалі /-5 ^ б 6 165/° КуТа набігання потоку не перевищує що знаходиться в межах точності експерименту;

- чутливість З В 0 порядку І см/с; .

- неоднозначність показів, пов’язана з різним режимом обтікання

мгд-

перетворювача довільно спрямованим потоком /варіацією числа Рейнольдса в найпиршому діапазоні/, те перевищує Щ>\

_ '¿і _

- ці ЗВ мають реввреівність і лінійну градуивальну характеристику.

4. Розроблено методику реалізації алгоритмів визначення числа Річардсона і частоти ВяЯсяля-Брента. Відповідно до запропакованої методики розроблено макет комплексного вимірювача " & метр", який забезпечує синхронне вимірювання в реальному масштабі часу вервякального, горизонтального в напрямку течії компонентів вектора швидкості, азимуту течії, температури середовища, числа & і частоти N .

5. Розроблено і затверджено Програму і методику метрологічної атестації кбаплексного вимірювача " йі - метр". дано с Програмою виконано експериментальні дослідження метрологічних характеристик розробленого макету вимірювача " кі. - метр". Пок&аано, що:

- граду свальні характеристики ЗВ по каналах £і і ІЇ* є лінійні;

- середні .квадратичні інструментальні похибки вимірювання Мгі &■ за можливих в натурних умовах варіацій термогідродинамічних параметрів досліджуваних серюдовищ не перевищують 0,5^;

- середні квадратичні похибки вимірювань Ыг і Ні , пов’язані з

максимально можливими омінами швидкості і частоти сканування З В при виконанні гідрологічних робіт з дрейфуючого судна в умовах відкритого океану, не перевищує: по каналу " Д/^" - 6,0^, по каналу " Ці " - 5,0^, -

6. Розроблений комплексний вимірювач " (¿і- метр" пройпов апробацію в натурних умовах, Рого допомогою дослідаувались амплітудно-частотні характеристики внутрішніх хвиль і енергетика, сезон-нот*- термоклину в рамках експедиції Інституту космічних, досліджень в Тихому океані /І989р/ { Російсько-Американського експерименту

сЬг/-і~і” в Атлантичному океані /1992р./. .

Основні результати дисертації опубліковано в таких працях:

1. Большаков В.Б. t королев B.B.f іСосач Н.И. Влияние яеодно-родшсти среды на метрологические характеристики НГД- измерителей гидродинамических параметров /Дез.докл. -I Всесога.кон$. "проблемы-статифицированных течений” Т. 2. Юрмала, ^988 С. 182-185.

2. Большаков В. Б.^ Королев В.Б,f Яосач Д.И., іСупко B.C. tier-рожі гичесхое обеспечение градиентных измерений гидрофизических параметров среды./Дез.докл. Ш Ьсесосв. школы-семинара "Метода гидрофизических исследований". Светлогорск, І969. С. 58-59.

3. Большаков В. Б. t ¿одолев B.B.f йосач Н.И, Метрологичвское обес печете градиентных намерений гидрофизических параметров среды в дальнометрии //Сб. научн.тр. "Вопросы разработки даль номерных систем х их метрологачесхого обеспечения" Д. НПО ВНИИМ ям. Д.И.Менделеева, 1990. C.85-9I.

4. Большаков В.Б.^ Косач Н.И. Исследование ИГД- яэмергтелеЯ гидродинамических параметров в задачах метрологического обеспечении твдродальнометрш //Тез.докл. XII' Всесовв.вцгч.-^ехн.хонф. ^етро-логин в дальнометрии". Харьков, ГНШ "Метрология", 1988. С. 29-30.

5. Большаков В.В., Королев В.Б.э Косач Ч.И. Метрологическое обесшчеше измерений «ела Ричардсона я частоты Вяйсяля-Брента я поверхностном стратифицированном слое океана /Дез.докл. XI Веесога. коя$. "Броблемы стратифицированных течений", ^анев, І99І.С. 13-14.

6. Большаков В.Б. t ¿оролев В.Б.^ Косач Д. И., ^упко B.C. Метрологическое обесшчвже градиентных измерений гидрофизических параметров среды //Измерительная техника. 1991. *4. С. 23-25.

Больаахов В.Б.( Королев В.В., ^осач Б.И. Измвритвль «ела Ричардсона" RL -метр" /Дев.докл. Зсесокв. школы "Технические * ‘ * средства ж методы исследования Ярового океана" Т.2. М. I99I.C.33.

В. Большаков В.Б.j Косач Н.И., %пп> B.C. ^азреваща* способ-

V -

ность МГД- измерителей гидродинамических параметров стратифицировая-потоков /Дез.докл. & жколы-семинара “^етодм гидрофизических иссле-

дов'аний". «. И92, С. 91.92.

9. ‘^осач Н.И. Исследования диаграммы направленности и области пространственного осреднения сферических МГД- измергтелей скорости ' //Сб.научн.тр. "^етодч и средства метрологического обеспечения из-мере ей.-* характеристик ветрового волнения и гидродинамических параметров в поверхностном слое океана", ^араксв: ’’■'‘етрологля",

1991. С.50-66.

Большаков 2.^., Королев В,Б## “осач -хедарименталькос исследование диаграмма напра$тендас?к 5$срячтс!лпс МГЦ- иг^ергтеле? скорости //и5.научн.тр. "’»етоды и средства метрологического обеею-чб-и чения измерений характеристик ветрового волнения и гадродинамичес-ких параметров.в поверхюстном слое океана". Харьков: ГНШ "Метрология". 1991. С. 67-74.

Ц. Большаков В.Б. $ Косач Н.И., Исследование влияния неетацио-нарности контактных измерителей на их метрологические характеристики //Сб.научн.тр. "Методы и средства метрологического обеспечения измерения характеристик ветрового волнания и гидродинамических параметров в поверхностном слок океана". Харьков: "‘петрология".

1991. С. 75-92.