Розробка і дослідження характеристик робочого засобу виміру швидкості поширення ультразвуку для систем контролю морського середовища

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Севастопольський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Розробка і дослідження характеристик робочого засобу виміру швидкості поширення ультразвуку для систем контролю морського середовища

Толстошеєв Олексій Петрович

Севастополь 2000

Дисертацією є рукопис

Работа виконана у Морському гідрофізичному інституті НАН України (м. Севастополь)

Науковий керівник

Бабій В. І., кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник (Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь)

Офіційні опоненти:

Гайський В.О.,доктор технічних наук, старший науковий співробітник (Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь)

Лов'ягин В. А.,кандидат фіз.-мат. наук, доцент (Науковий Центр Військово-Морських сил України)

Провідна установа Фізико-механічний інститут імені Г.В.Карпенка НАН України (м. Львів)

Захист відбудеться “ 29 ” березня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 50.052.01 в Севастопольському державному технічному університеті (99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Севастопольського державного технічного університету (99053, м. Севастополь, Стрілецька балка, Студмістечко).

Автореферат розісланий “ 28 ” лютого 2000 р.

Вчений секретар д.т.н., професор спеціалізованої вченої ради Желізняк В.Г.

1. Загальна характеристика роботи

звук метрологічний морський вимірювальний

Актуальність теми. Результати антропогенного впливу на навколишнє середовище, ускладнення сучасних морських технологій визначають актуальність задачі контролю процесів, що відбуваються в морському середовищі. Важливість комплексного підходу до рішення цієї задачі, з огляду на географічне положення України, очевидна. Ефективність контролю визначається насамперед ступенем достовірності інформації, отриманої про основні параметри середовища. Для водяного середовища одним з таких параметрів є швидкість поширення звуку.

Робочі засоби виміру швидкості звуку з високими метрологічними характеристиками, а також системи, побудовані на їхній базі, потрібні для рішення цілого ряду прикладних і фундаментальних задач екологічного моніторінгу, прикладної гідроакустики, фундаментальних та прикладних океанографічних досліджень. Швидкість звуку є комплексною фізичною характеристикою водяної маси і входить у рівняння стану морської води. У зв'язку з цим рядом авторів запропоновані співвідношення для розрахунків солоності, щільності, частоти Вяйсяля-Брента на підставі інформації про швидкість звуку. Практична реалізація таких співвідношень дотепер обмежується тим, що метрологічні і експлуатаційні характеристики використовуваних у даний час методів і засобів виміру швидкості звуку не відповідають задачам, пов'язаним з одержанням достовірної інформації про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів. Це послужило підставою для створення вимірювача швидкості звуку з потрібними показниками призначення.

При створенні високоточних вимірювачів швидкості звуку необхідно мати на увазі таку істотну обставину як відсутність зразкових засобів виміру і державної перевірочної схеми. Тому досить складно об'єктивно оцінити приведені у різних публікаціях характеристики методів і засобів виміру швидкості звуку. З цього випливає, що розробка власне високоточного вимірювача швидкості звуку повинна супроводжуватися також створенням методів і засобів контролю його метрологічних та експлуатаційних характеристик.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно плановій тематиці Морського гідрофізичного інституту НАН України в рамках проекту ''Приладобудування'': НДР ''Соратник'' (шифр-0.74.01.08.15), ДКР ''Характер'' (шифр-0.74.01.08.16 ), ДКР "Ремінь" (шифр-0.74.01.08.18).

Мета дисертаційної роботи. Метою роботи є створення високоточного робочого засобу виміру швидкості звуку в морському середовищі і розробка метрологічного забезпечення для дослідження його характеристик.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися завдання: розробити загальні вимоги до методів і засобів виміру швидкості звуку, призначених для дослідження поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів; розробити робочий засіб виміру швидкості звуку (ВШЗ), що відповідає поставленій меті і дослідити його характеристики; розробити спосіб і пристрій контролю функціонування ВШЗ у процесі експлуатації; розробити метрологічне забезпечення лабораторних та натурних іспитів ВШЗ і дослідити характеристики дослідних зразків ВШЗ у лабораторних та натурних умовах.

Наукова новизна. Запропоновано нове технічне рішення, що реалізує частотно-часовий метод виміру з двохбазовим первинним акустичним перетворювачем, на підставі якого розроблено вимірювач швидкості звуку, призначений для одержання високоточних даних про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів. Розроблено структуру електронно-акустичного каналу вимірювача та технічні рішення окремих його вузлів, що дозволяють істотно знизити вплив додаткових неінформативних чинників на результат виміру в робочих умовах застосування ВШЗ.

Вперше розроблена система контролю функціонування вимірювача швидкості звуку в робочих умовах застосування, що дозволило істотно підвищити достовірность результатів виміру.

Вперше запропонований спосіб та методика градуіровки та метрологічних іспитів, що дозволяють оцінювати основні метрологічні характеристики ВШЗ у заданому діапазоні виміру швидкостей звуку та функції впливаючих чинників, характерних для умов експлуатації гідрологічного вимірювача. Вперше на основі застосування розробленого ВШЗ запропоновано спосіб контролю достовірності гідрологічної інформації, одержуваної за допомогою гідрофізичного зондуючого CTD-комплексу.

Практичне значення і реалізація отриманих результатів. Розроблений ВШЗ є робочим засобом виміру швидкості поширення звуку у водяному середовищі, метрологічні й експлуатаційні характеристики якого дозволяють, по-перше, підвищити ефективність контролю стану навколишнього водяного середовища; по-друге, одержати прямим методом високоточну інформацію про найважливішу первинну акустичну характеристику морського середовища і уточнити результати досліджень структури поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів; по-третє, підвищити достовірность інформації, одержуваної за допомогою гідрологічних вимірювальних комплексів. Висока довгострокова стабільність характеристик ВШЗ визначає можливість використання вимірювача в якості підпорядкованого зразкового засобу для перевірки суднових робочих засобів виміру швидкості звуку.

Запропоновані спосіб та методика градуіровки і метрологічних іспитів, які дозволяють, по-перше, істотно знизити похибки оцінювання основних характеристик ВШЗ; по-друге, більш коректно враховувати складові похибки ВШЗ, обумовлені впливаючими чинниками.

Показники призначення ВШЗ дозволяють, з огляду на комплексний характер самого параметра швидкості звуку, здійснювати контроль достовірності інформації, отриманої за допомогою гідрологічних вимірювальних комплексів.

Створені ВШЗ успішно пройшли Державні приймальні іспити у складі гідрофізичних вимірювальних комплексів ОЛТ (у відповідність із вимогами ДСТ по оборонній тематиці), ІСТОК-6, ВЕГА.

Апробація роботи. Результати розробок і досліджень, які увійшли до дисертації, доповідалися й обговорювалися на 4-ій Всесоюзній науково-технічній конференції "Створення нової техніки для освоювання шельфової зони", м. Горький, 1986 р.; міжнародному науково-технічному семінарі ''Системи контролю навколишнього середовища'', м. Севастополь, 1999 р.; об'єднаному семінарі наукових відділів Морського гідрофізичного інституту; міжкафедральному семінарі Севастопольського державного технічного університету, м.Севастополь, 1999 р.

Публікації. Результати розробок і досліджень відображені у сімох публікаціях, у тому числі в чотирьох авторських свідоцтвах.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, трьох глав, висновків, списку використаних джерел, що включає 94 найменування, додатків А и Б. Матеріал викладений на 147 сторінках машинописного тексту, містить 2 таблиці та 20 малюнків.

2. Основний зміст роботи

У вступі відзначається актуальність теми, визначені мета та задачі досліджень, зазначена новизна отриманих результатів, приведені основні положення, що відбивають наукове і практичне значення роботи. У першому розділі, виходячи з завдання отримання високоточної інформації про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі, розроблені загальні вимоги до методів та засобів виміру швидкості звуку. На підставі аналізу задач, розв'язаних із притягненням інформації про швидкость звуку, показано, що в галузі прикладної гідроакустики для розрахунку дальності дії гідроакустичних систем, підвищення достовірності виміру дистанцій, сейсмоакустичного зондування, акустичної томографії швидкість звуку необхідно вимірювати з похибкою С 0,5 мс-1, ціною одиниці найменшого розряду вихідного коду С 0,1 мс-1 при часовому і просторовому масштабах осереднення 1,0 с и h 1,0 м, відповідно; для обчислення вторинних параметрів морського середовища (щільності, солоності, вертикальної стійкості водяних мас) ті ж показники призначення повинні задовольняти наступним вимогам: С 0,05 мс-1; С 0,01 мс-1; 0,1с; h 0,1 м.

Виконано аналіз технічних характеристик відомих методів одержання інформації про швидкость звуку в морському середовищі, досліджено потенційні можливості цих методів із погляду рішення поставлених завдань, оцінені характеристики засобів виміру швидкості звуку, що реалізують ці методи. Показано, що застосування непрямих методів не дозволяє забезпечити необхідні просторово-часові характеристики, а загальним недоліком відомих прямих способів виміру є наявність додаткових часових затримок в електронно-акустичних трактах вимірювачів. Приведено і проаналізовано основні технічні характеристики кращих серійно випускаємих зразків засобів виміру швидкості звуку. Розглянуто стан метрологічного забезпечення вимірів швидкості звуку. Показано, що в даний час відсутні перевірочна схема вимірів швидкості звуку, зразкові засоби виміру швидкості звуку і методики лабораторних та натурніх іспитів робочих засобів виміру. Існуюча методика перевірки, як показує аналіз, має похибку не менше 0,3 мс-1 і дозволяє оцінювати обмежену номенклатуру характеристик ВШЗ у відносно вузькому діапазоні швидкостей звуку. На підставі цього зроблено висновок про те, що з метою одержання об'єктивних оцінок показників призначення швидкості звуку створення власне високоточного ВШЗ повинно супроводжуватися розробкою методів і засобів дослідження його метрологічних характеристик у лабораторних і натурних умовах.

Другий розділ присвячений розробці робочого засобу виміру для одержання високоточних даних про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів. Показано, що для створення такого вимірювача необхідно мінімізувати вплив на результати виміру додаткових (неінформативних) часових затримок сигналу в електронно-акустичному каналі. З метою рішення цієї задачі розроблена структура вимірювача з двохбазовим первинним акустичним перетворювачем і одноканальним проміжним перетворювачем на основі частотно-часового методу виміру.

На підставі аналізу вимог до первинного акустичного перетворювача (ПАП) розроблена конструкція, що складаеться з акустичного прийомопередаючого перетворювача і двох пасивних відбивачів. Схема ПАП і часові діаграми, що пояснюють принцип його роботи. У такому перетворювачі при збудженні імпульсом ІЗ акустичного перетворювача АП у середовище випромінюється акустичний сигнал, який, розповсюджуючись, досягає першого В1 і другого В2 відбивачів, луна-сигнали від яких приймаються АП і перетворюються в електричні сигнали 1.1 і 1.2 відповідно.

Таким чином, двохбазовий первинний перетворювач теоретично дозволяє здійснювати перетворення швидкості звуку в середовищі в інтервал часу відповідно до виразу (7), тобто без внесення додаткових затримок. Очевидно також, що такий перетворювач дозволяє звести до мінімуму складові похибки, пов'язані з впливами переміщення щодо середовища і зменшити вплив біологічного обростання. У розробленому первинному акустичному перетворювачі застосована пасивна термостабілізація довжини вимірювальної бази за допомогою ситаллу типу СО115М. При цьому в діапазоні зміни температури 20С відносна зміна довжини бази не перевищила 310-6, що відповідає внесенню додаткової похибки виміру швидкості звуку не більш 510-3 мс-1.

Одержання інформативного інтервалу часу tс, що не містить додаткових затримок, пов'язано з точністю часової прив'язки прийнятих луна-сигналів 1.1 і 1.2. У розробленому ВШЗ був застосований метод, що дозволяє здійснювати тимчасову прив'язку луна-сигналів з високою точністю. Принцип його пояснюється осцилограмою сигналів. З принципу роботи пристрою часової прив'язки луна-сигналів випливає, що часові положення перепадів напруги на виході двохрівневого граничного пристрою в моменти часу t2 і t4 практично не залежать від змін амплітуди та форми цих сигналів і можуть з високою точністю визначати взаємне положення в часі цих сигналів, а отже, і тривалість інтервалу часу tс між ними.

Структура проміжного перетворювача ВШЗ розроблялася виходячи з того, що основним джерелом похибки, незалежно від реалізованого у вимірювачі методу перетворення, є додаткова (неінформативна) часова затримка. Наявність цієї затримки приводить до нелінійности характеристики перетворення, а зміна розміру затримки в умовах впливаючих чинників - до похибки перетворення. Відносне значення цієї похибки для кращих зразків сучасних ВШЗ складає t 1,510-4, а відповідна їй похибка виміру швидкості звуку C(t) 0,25мс-1.

З метою створення високоточного вимірювача швидкості звуку з метрологічними характеристиками, стійкими до впливаючих чинників, була запропонована оригінальна структура побудови його проміжного перетворювача, у якій уперше на основі частотно-часового методу реалізована можливість перетворення інформативного вихідного параметра двохбазового первинного перетворювача в інформативний вихідний параметер без внесення додаткових часових затримок. Структурна схема ВШЗ подана на, а часові діаграми, що пояснюють її роботу. Принцип роботи схеми полягає в тому, що період вихідного інформативного сигналу проміжного перетворювача в процесі виміру встановлюється дольним від часу tс поширенням акустичного сигналу на вимірювальній базі первинного перетворювача ПАП.

Імпульси тривалостями 1[n] і 2[n] інтегруються інтегратором І в протилежних напрямках так, що напруга uІ[n] на виході інтегратора після закінчення другого імпульсу має вигляд:

uІ [n] = кІ{1[n]2[n] }, (1)

де кІ - коефіцієнт передачі інтегратора І.

З виразів одержуємо співвідношення для напруги на виході синхронного фильтру СФ:

Таким чином, напруга сигналу на виході СФ виявляється модульованою різницею між часом tс поширення акустичного сигналу на базі L і періодом tМ[n] проходження імпульсів з виходу ДЧ. Ця напруга підсилюється в ППС і впливає на керуючий елемент ГКН, змінюючи частоту останнього в напрямку виконання рівності:

де m - коефіцієнт перерахування дільника ДЧ.

З останнього співвідношення з урахуванням (7) випливає:

, (2)

тобто, вихідний інформативний параметр проміжного перетворювача - частота генератора ГКН - визначається постійним коефіцієнтом m, довжиною вимірювальної бази первинного перетворювача, значенням швидкості звуку і не залежить від додаткових часових затримок.

З урахуванням реального просторово-часового розподілу швидкості звуку в морському середовищі розраховані динамічні характеристики проміжного перетворювача. За принципом роботи ВШЗ являє собою замкнуту імпульсну стежильну систему, на виході імпульсного елемента якої в кожному n-му циклі виміру формується імпульс тривалістю

n=1[n]2[n]

і амплітудою Е. Зображення передатної функції приведеної безупинної частини імпульсної системи в безрозмірному масштабі визначається виразом:

W(q)=Ekу kг kд (4)

де kу kг kд - коефіцієнти передачі ППС, ГКН і ДЧ, відповідно; Т1 - постійна часу інтегратора І; В - коефіцієнт передачі приведеної безупинної частини; q - безрозмірний параметр.

На підставі виразу (17) отримані співвідношення для динамічних похибок проміжного перетворювача ВШЗ при 1) стрибкоподібному і 2) лінійному законах зміни швидкості звуку. Аналіз показує, що: 1) система стійка при 0 В 2; 2) при стрибкоподібній зміні швидкості звуку помилка виміру в сталому режимі дорівнює нулю; 3) при лінійному законі зміни швидкості звуку вимірювач має швидкісну помилку, розмір якої залежить від швидкості зміни швидкості звуку і визначається відповідно до формули:

З останнього виразу випливає, що xст зменшується зі збільшенням коефіцієнта передачі В. З іншого боку найбільша швидкодія вимірів забезпечується при В=1. Таким чином, розмір коефіцієнта передачі В повинна вибиратися з нерівності: 1 В 2.

Оцінено оптимальне значення коефіцієнта підсилення В з урахуванням отриманої нерівності у залежності від можливих змін швидкості звуку в умовах, характерних для морського середовища. Найбільші значення вертикальних градієнтів швидкості звуку характерні для шару стрибка і складають порядку 4с-1. При зондуванні зі швидкостю біля 0,5мс-1 максимальна швидкість зміни швидкості звуку Vc = 2,0 мс-2. З огляду на те, що xст= tС, маємо:

При L = 0,075 м; Т = 0,125 с; VC = 2,0 мс-2; В = 1,5:xст. 710-9 с, а відповідна цьому значенню швидкісна похибка виміру швидкості звуку складає СV 0,1 мс-1.

Отримане значення коефіцієнта передачі В забезпечує оптимальні динамічні характеристики вимірювача з урахуванням реальної просторово-часової мінливості поля швидкості звуку в морському середовищі.

З метою підвищення достовірності результатів вимірів запропонований оригінальний спосіб контролю функціонування вимірювача в процесі експлуатації. Спосіб заснований на тому, що, як було показано вище, вхідний інформативний параметр ВШЗ із двохбазовим первинним перетворювачем практично не містить додаткових часових затримок і, отже, висновок про достовірность результатів вимірів ВШЗ може бути досить обгрунтовано отриманий на підставі даних контролю тільки проміжного перетворювача ВШЗ. З метою реалізації способу оперативного контролю параметрів ВШЗ був розроблений пристрій функціонального контролю ПФК. Запропоновані спосіб і пристрій функціонального контролю були реалізовані в досвідженому зразку ВШЗ, а аналіз результатів експлуатації вимірювача підтвердив доцільність і ефективність уведення такого методу підвищення достовірності результатів виміру швидкості звуку, особливо при використанні вимірювача для проведення довгострокових спостережень.

Третій розділ присвячений розробці метрологічного забезпечення вимірів швидкості звуку в морській воді, методик лабораторних і натурних досліджень характеристик розробленого ВШЗ, дослідженню характеристик досвідних зразків ВШЗ у лабораторних та натурних умовах.

З метою одержання об'єктивних оцінок працездатності ВШЗ проведен аналіз основних характеристик досвідних зразків вимірювачів. Програма досліджень містила в собі оцінювання для кожного ВШЗ номінальної функції перетворення; систематичної складової основної похибки ; СКВ випадкової складової основної похибки ; додаткової похибки, обумовленої впливом діючих чинників; ціни одиниці найменшого розряду вихідного коду С; часової характеристики. Приведено опис оригінального способу перевірки ВШЗ і методики на його основі. Запропонований спосіб полягає в роздільному визначенні характеристик перетворення електронного тракту ВШЗ, ефективної довжини вимірювальної бази первинного перетворювача й одержанні на їхній основі градуіровочної характеристики вимірювача в цілому. Методика в загальному вигляді складається з наступних операцій:

1) визначення характеристики перетворення електронного тракту ВШЗ виду

N = 1, (21)

де Nінформативний вихідний параметер вимірювача;

інформативний вхідний параметер вторинного перетворювача ВШЗ;

2) визначення ефективної довжини Lеф. вимірювальної бази первинного перетворювача по формулі:

Lеф. = С0 1 ( N0 ), (22)

де С0 швидкість звуку в калібровочній рідині, визначена в одній точці діапазону і прийнята в якості зразкової, мс-1; N0 вихідний інформативний параметер ВШЗ, що відповідає швидкості звуку С0, дв. од;

3) визначення градуіровочної характеристики ВШЗ із співвідношень (21, 22) по формулі:

Середнє квадратичне відхилення похибки запропонованого методу, розраховане по приведеній формулі, не перевищує 410-2 мс-1. Запропонований метод визначення метрологічних характеристик пройшов іспити, результати яких підтверджують отримані оцінки. Результати лабораторних досліджень досвідних зразків розробленого ВШЗ.

Мінливість характеристик ВШЗ у часі оцінювалася шляхом порівняння характеристик перетворення ВШЗ, отриманих при первинній атестації, із характеристиками перетворення, отриманими після експлуатації вимірювачів протягом різних інтервалів часу (від 1 місяця до 7 років). Для ВШЗ зав.№ 006 приведені графіки відхилень характеристики перетворення вимірювача, отримані при періодичних перевірках, від значень швидкості звуку, прийнятих у якості зразкових.

Проведено натурні іспити досвідних зразків ВШЗ. Мета іспитів - оцінка працездатності ВШЗ у робочих умовах застосування. Через відсутність стандартних вимог до проведення таких іспитів розроблена методика, по якій оцінювалися наступні показники: порівнянність результатів прямих вимірів швидкості звуку за допомогою ВШЗ із результатами непрямих вимірів; повторювальність характеристик різних екземплярів ВШЗ у робочих умовах застосування; варіація вихідного інформативного параметру ВШЗ у робочих умовах застосування.

Результати дослідження порівнянністі результатів прямих вимірів швидкості звуку за допомогою ВШЗ із результатами непрямих вимірів подані у виді графіка. Іспити проведені в складі гідрофізичних зондуючих комплексів типу ОЛТ та ІСТОК-6, що поряд із каналом виміру швидкості звуку містять канали виміру температури, електропровідності (солоності) і тиску. Результати непрямого виміру швидкості звуку розраховані по формулі Дель Гроссо для морської води і формулі Фоффонова-Милларда. Показано, що похибка такої методики не перевищує 0,5мс-1. Відхилення між прямо обмірюваними і розрахованими значеннями швидкості звуку з обліком похибки методу не більше 1,0 мс-1 при розрахунку по формулі Дель Гроссо і не перевищують похибки методу при розрахунку по формулі Фоффонова-Милларда.

Досліджена повторювальність характеристик досвідних зразків ВШЗ шляхом порівняння результатів вимірів при одночасному зондуванні двома вимірювачами (№003 і №004) у складі вимірювального комплексу ІСТОК-6. Розходження між показаннями вимірювачів, розраховані за результатами зондування і не перевищують 0,1мс-1 для шару з максимальним градієнтом швидкості звуку і не більш 0,05 мс-1 для обріїв із малими градіентами.

Оцінено варіацію вихідного інформативного параметру ВШЗ у робочих умовах застосування шляхом проведення вимірів швидкості звуку при зондуваннях "униз" і "нагору". Для зменшення похибки, обумовленою просторово-часовою мінливістю поля швидкості звуку, аналізувалися дані вимірів, отримані на обріях із малими градієнтами. Такі умови іспитів, з огляду на те, що інтервал часу між зондуваннями "униз" і "нагору" не перевищував 15 хв., дозволяють розглядати поле швидкості звуку "замороженим" у просторово-часовому масштабі проведеного експерименту. Результати іспитів показують, що варіація обмірюваних значень швидкості звуку не більш 0,3 мс-1.

Висновки

Запропоновано нове технічне рішення, що реалізує частотно-часовий метод виміру з двохбазовим первинним акустичним перетворювачем, на основі якого розроблено вимірювач швидкості звуку, призначений для одержання високоточних даних про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів. Розроблено структуру побудови електронно-акустичного каналу вимірювача і схемотехнічні рішення окремих його вузлів, що дозволяють істотно знизити вплив додаткових (неінформативніх) чинників на результат виміру в робочих умовах застосування ВШЗ. Розраховано, виходячи з реального просторово-часового розподілу швидкості звуку в морському середовищі, динамічні характеристики ВШЗ. Показано, що при стрибкоподібній зміні швидкості звуку помилка виміру в сталому режимі дорівнює нулю, а при лінійному законі зміни швидкості звуку вимірювач має швидкісну помилку, розмір якої при вимірах у режимі зондування в умовах максимально можливих градієнтів швидкості звуку не перевищує 0,1мс-1. У результаті лабораторних іспитів досвідних зразків установлено, що в діапазоні від 1400 до 1600 мс-1 похибка виміру при впливі діючих чинників, характерних для умов експлуатації ВШЗ, не перевищує 0,15 мс-1, ціна одиниці найменшого розряду вихідного коду при часі виміру 0,125 с не більш 0,015мс-1, при часі виміру 0,25 с не більш 0,007 мс-1; нестабільність характеристик перетворення в часі склала не більш 0,1 мс-1 за 12 місяців експлуатації.

Вперше розроблена система контролю функціонування вимірювача швидкості звуку в робочих умовах застосування, що дозволило істотно підвищити достовірность результатів виміру.

Вперше запропонований спосіб та методика градуіровки і метрологічних іспитів, що дозволяють оцінювати основні метрологічні характеристики ВШЗ у заданому діапазоні виміру швидкості звуку і функції впливу діючих чинників, характерних для умов експлуатації гідрологічного вимірювача. Показано, що середньоквадратичне відхилення похибки методу не перевищує 410-2 мс-1 у всьому діапазоні швидкостей звуку в морському середовищі, що дозволяє оцінювати характеристики засобів виміру швидкості звуку на рівні сучасних вимог.

Вперше на основі застосування розробленого вимірювача швидкості звуку запропонований спосіб контролю достовірності гідрологічної інформації, одержуваної за допомогою гідрофізичного зондуючого комплексу.

Створені ВШЗ успішно пройшли Державні приймальні іспити в складі гідрофізичних вимірювальних комплексів ОЛТ (відповідно до вимог ДСТ по оборонній тематиці), ІСТОК-6, ВЕГА.

Список опублікованих робіт із теми дисертації

1. А. п. 1255871 СРСР, МКІ G 01 H 5/00. Гідрологічний вимірювач швидкості звуку / Г. П. Дудников, О. П. Толстошеєв, В. В. Холкін (СРСР). - № 3862727/25-28; Заявлено 05.03.85; Опубл. 07.09.86, Бюл. №33. - 160 с.

2. А. п. 1374059 СРСР, МКІ G 01 H 5/00. Спосіб градуіровки вимірювача швидкості поширення ультразвуку / О. С. Светличний, О. П. Толстошеєв, В. В. Холкін (СРСР). - № 3980750/24-28; Заявлено 27.11.85; Опубл. 15.02.88, Бюл. №6. - 160 с.

3. А. п. 1465715 СРСР, МКІ G 01 H 5/00. Гідрологічний вимірювач швидкості звуку / О. П. Толстошеєв, В. В. Холкін (СРСР). - № 4048256/25-28; Заявлено 07.01.86; Опубл. 15.03.89, Бюл. №10. - 176с.

4. А. п. 1467428 СРСР, МКІ G 01 N 1/24. Термогалінозонд / В. І. Забурдаєв, Е. И. Нечосін, О. П. Толстошеєв та ін. (СРСР). - № 4093713/24-25; Заявлено 23.07.86; Опубл. 233.03.89, Бюл. №11. - 167с.

5. Бабій В. І., Толстошеєв О. П. Вимірювач швидкості звуку для оптимізації систем контролю параметрів морського середовища: // Вісник СевДТУ: Оптимізація виробничих процесів. - Севастоп. держ. техн. ун-т.-1999.- Вип.2- С.187-190.

6. Бабій В. І., Толстошеєв О. П. Робочі засоби виміру швидкості звуку в морському середовищі // Сб. наук. пр. - Севастополь: МГІ НАНУ, 1999. - 36 с.

7. Светличний О.С., Толстошеєв О.П., Холкін В.В.. Метрологічна атестація гідрологічних засобів виміру швидкості звуку: // Суднобудівна промисловість.-1988. - Вип.6. - С.50-55.

Анотація

Толстошеєв О.П. Розробка і дослідження характеристик робочого засобу виміру швидкості поширення ультразвуку для систем контролю морського середовища.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальностю 05.11.13 - прилади і методи контролю і визначення складу речовин.- Севастопольський Державний технічний університет Міністерства освіти України, Севастополь, 2000.

Дисертація присвячена питанням створення високоточного робочого засобу виміру швидкості звуку (ВШЗ) у морському середовищі і його метрологічного забезпечення. Запропоновано нове технічне рішення, на підставі якого розроблено ВШЗ, призначений для одержання високоточних даних про структуру поля швидкості звуку в морському середовищі в широкому діапазоні просторово-часових масштабів. Розроблено систему контролю функціонування вимірювача швидкості звуку в робочих умовах застосування. Запропоновано спосіб та методика градуіровки і метрологічних іспитів ВШЗ, методики лабораторних та натурніх іспитів. Доводяться результати лабораторних та натурних іспитів і експлуатації досвідних зразків ВШЗ.

Аннотация

Толстошеев А.П. Разработка и исследование характеристик рабочего средства измерения скорости распространения ультразвука для систем контроля морской среды.- Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определение состава веществ.- Севастопольский Государственный технический университет Министерства образования Украины, Севастополь, 2000.

Диссертация посвящена вопросам создания высокоточного рабочего средства измерения скорости звука (ИСЗ) в морской среде и его метрологического обеспечения. В работе обосновывается актуальность задачи получения достоверной информации о поле скорости звука в морской среде в широком диапазоне пространственно-временных масштабов. На основании анализа задач, решаемых с привлечением информации о скорости звука, разработаны требования к основным показателям назначения ИСЗ. Оценены характеристики существующих ИСЗ. Показано, что независимо от реализованных в ИСЗ методов измерения, основным источником погрешности является дополнительная (неинформативная) задержка времени в электронно-акустических каналах измерителей. Выполнен анализ метрологического обеспечения измерений скорости звука в море. Установлено, что в настоящее время отсутствуют единая поверочная схема, методики лабораторных и натурных испытаний ИСЗ, а существующая методика поверки позволяет оценить характеристики измерителей с погрешностью не менее 0,3 мс-1 в ограниченном диапазоне скоростей звука. На основании этого обосновывается вывод о том, что с целью получения объективных оценок характеристик ИСЗ разработка собственно измерителя должна сопровождаться разработкой методов и средств его лабораторных и натурных испытаний. Предложено новое техническое решение, реализующее частотно-временной метод измерения с двухбазовым первичным акустическим преобразователем, на основе которого разработан измеритель скорости звука, предназначенный для получения высокоточных данных о структуре поля скорости звука в морской среде в широком диапазоне пространственно-временных масштабов. Разработаны структура построения электронно-акустического канала измерителя и схемотехнические решения отдельных его узлов, позволяющие существенно снизить влияние дополнительных (неинформативных) факторов на результат измерения в рабочих условиях применения ИСЗ. Рассчитаны, исходя из реального пространственно-временного распределения скорости звука в морской среде, динамические характеристики ИСЗ. Показано, что при скачкообразном изменении скорости звука ошибка измерения в установившемся режиме равна нулю, а при линейном законе изменения скорости звука измеритель имеет скоростную ошибку, величина которой при измерениях в режиме зондирования в условиях максимально возможных градиентов скорости звука не превышает 0,1 мс-1. Разработана система контроля функционирования измерителя скорости звука в рабочих условиях применения, что позволило существенно повысить достоверность результатов измерения. Предложены способ и методика градуировки и метрологических испытаний, позволяющие оценивать основные метрологические характеристики ИСЗ в заданном диапазоне измерения скоростей звука и функции влияния воздействующих факторов, характерных для условий эксплуатации гидрологического измерителя. Показано, что среднеквадратическое отклонение погрешности метода не превышает 410-2 мс-1 во всём диапазоне скоростей звука в морской среде, что позволяет оценивать характеристики рабочих средств измерения скорости звука на уровне современных требований. Разработаны методики лабораторных и натурных испытаний опытных образцов разработанного ИСЗ, позволяющие оценить полную номенклатуру метрологических характеристик измерителей. В результате лабораторных испытаний опытных образцов установлено, что в диапазоне от 1400 до 1600 мс-1 погрешность измерения при воздействии влияющих факторов, характерных для условий эксплуатации ИСЗ, не превышает 0,15 мс-1, цена единицы наименьшего разряда выходного кода при времени измерения 0,125 с - не более 0,015 мс-1, при времени измерения 0,25 с - не более 0,007 мс-1; нестабильность характеристик преобразования во времени составила не более 0,1 мс-1 за 12 месяцев эксплуатации. В результате натурных испытаний опытных образцов ИСЗ, входящих в состав различных гидрофизических измерительных комплексов, установлено, что максимальные различия между результатами прямых измерений скорости звука с помощью ИСЗ и результатами косвенных измерений не превышают 0,5мс-1, повторяемость характеристик различных экземпляров ИСЗ в рабочих условиях применения лежит в пределах 0,05 мс-1 для горизонтов с малыми градиентами, а вариация выходного информативного параметра ИСЗ не превышает 0,3 мс-1. На основе применения разработанного измерителя скорости звука предложен способ контроля достоверности гидрологической информации, получаемой с помощью гидрофизического зондирующего комплекса. Опытные образцы ИСЗ прошли Государственные приёмочные испытания и эксплуатировались в различных гидрофизических измерительных комплексах.

Annotation

Tolstosheev А.P. Development and investigation of characteristics of a working means for measuring ultrasound spread speed for systems of marine environment control.- Manuscript.

Thesis for a Candidates degree of Technical Sciences, speciality 05.11.13 - Devices and Methods of Control and Definition of Substance Structure.- Sevastopol State Technical University of Ministry of Education of Ukraine, Sevastopol, 2000.

The thesis is dedicated to problems of development of a high-precision working means of measurement of a speed of sound (MSS) in marine environment and its metrologycal providing. The new engineering solution is offered on the basis of which MSS is designed, for receiving high-precision data on structure of a field of sound speed in marine environment in a broad band of spatial-temporal scales. The system controlling functioning of MSS in operating conditions of application is designed. The techniques of laboratory and field tests are offered as well as a method and technique of a graduation and metrology tests of MSS. The outcomes of laboratory and field tests and operation of MSS are resulted.

Размещено на Allbest.ru