Файл: Доценко С.В. Теоретические основы измерения физических полей океана.pdf

торого лежит в пределах от единиц до десятков сантиметров в се­ кунду. В указанных случаях з а д а ч а теории измерения может быть сформулирована следующим образом [78].

К а к по данным измерений, полученным с помощью прибора с за- м данными характеристиками инерционности и пространственного!/ осреднения при данной методике измерения, восстановить статисти- \ \ ческне характеристики измеряемого поля? Какие ограничения нала- \\

11

анографических исследованиях, значительно больше. Приведем краткий перечень групп таких величин.

1. Механические величины (скорость течения [5, 33, 37, 55, 83, 86, 93], направление течения [55, 83, 86], уровень моря [55], гидро­

4.Величины, характеризующие излучения (радиоактивность [9], яркость [30], спектральный состав [31], поляризация [30], прозрач­ ность, освещенность [45, 54, 88]).

5.Величины, характеризующие химический состав морской воды

все шире применяются приборы, основанные на электрических прин­ ципах. Они обладают следующими существенными для морских ис­ следований качествами [77]:

1) позволяют эффективнее осуществлять дистанционные изме­

2) дают широкую возможность автоматизации измерений, упра­ вления экспериментом и непрерывного проведения математических операций, связанных с обработкой результатов наблюдений [35];

3)удобны д л я комплексных гидрометеорологических исследо­ ваний [38];

4)позволяют регистрировать как очень медленно, так и быстро меняющиеся величины, имеют широкий динамический диапазон .

Приборы д л я измерения неэлектрических гидрофизических вели­ чин электрическими методами в качестве входного элемента обяза­ тельно содержат измерительный преобразователь-устройство, пре­ образующее измеряемую неэлектрическую величину в электриче­ скую, которая затем измеряется и регистрируется [65, 67, 77]. Измерительный преобразователь устанавливает функциональную зависимость выходной электрической величины (э. д. с , сопротив­ ления и т. д.) от входной измеряемой неэлектрической величины.

На рис. 2 показаны заимствованные из [77] упрощенные струк­ турные схемы электрических приборов д л я измерения неэлектриче­ ских величин. В представленной на рис. 2.1 схеме с одним преобра­ зователем измеряемая неэлектрическая величина X подается на вход измерительного преобразователя ИП. Выходная электриче­ ская величина Y преобразователя измеряется и регистрируется электрическим измерительным устройством ЭМУ. По такой схеме может быть построен, например, измеритель температуры, состоя-

12

щин из термопары и милливольтметра. В гидрофизических изме­ рениях эта схема почти не применяется из-за плохих метрологиче­ ских показателей.

В ряде приборов измеряемая неэлектрическая величина претер­

Рис. 2. Упрощенные структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин.

основаны на принципе прямого преобразования, не обеспечиваю­ щем высокой точности измерений, так как сами преобразователи имеют погрешности, достигающие 2—10%.

В настоящее время все ч а щ е применяются приборы компенса­ ционного преобразования измеряемой или некоторой промежуточ­

бора. Функциональная схема такого прибора приведена на рис. 2.3, где НИ— нуль-индикатор, РУ— регулирующее устройство, ЭИУ— электрическое измерительное устройство, ОП — преобразователь обратной связи (обращенный преобразователь), X— измеряемая величина, Y — выходной электрический сигнал. Эта схема харак ­ терна тем, что помимо цепи прямого преобразователя, образован ­ ного нуль-индикатором и регулирующим устройством, имеется цепь

13

обратной связи, преобразующая электрическую величину У в вели­ чину Х,;омп, однородную с измеряемой или промежуточной величи­ ной. Регулирующее устройство и преобразователь обратной связи вырабатывают такую величину А'К 0 М п, которая обращает в нуль раз­ ность А Х = Х — Хцомп (т. е. наступает компенсация), и электриче­ ское измерительное устройство регистрирует соответствующую этому положению величину У. По такой схеме построены приборы, описанные в [3, 45, 54]. Снижение погрешности приборов здесь свя­ зано с наличием в них отрицательной обратной связи.

Приборы для измерения гидрофизических полей конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла: датчик, из­

Д а т ч и к представляет собой конструктивную совокупность ряда

давление, агрессивная среда и т. д . ), чем в месте отсчета или реги­ страции. Поэтому непосредственно в точку пространства, где необ­ ходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринять информацию о значе­ нии измеряемой величины и преобразовать ее в вид, пригодный для передачи на расстояние (обычно электрический сигнал Xi). Осталь ­ ную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усили­ тели, источники питания и т. д . ), называемую измерительным уст­

Подводя итог изложенному, можно сказать, что любой прибор для измерения гидрофизических полей, как правило, может быть расчленен на три преобразователя:

1)преобразователь измеряемой величины в электрическую (датчик);

2)преобразователь электрической величины в электрическую,

(регистратор).

14

§ 3. Математическое описание действия

линейного измерительного прибора

В настоящее время детально разработана теория и практика построения измерителей и регистраторов [10, 25, 64, 65, 77], чего нельзя сказать о теории датчиков гидрофизических полей. Отсутст­ вие такой теории делает затруднительным правильный расчет ха­ рактеристик датчиков, а, следовательно, и всего измерительного прибора в целом. Действительно, если первое звено измерительной цепи — датчик — не обеспечивает требуемой точности и диапазон ­ ное™ измерения, то никакими мерами в измерителе и регистраторе невозможно повысить точность измерений или восстановить утра­ ченную часть спектра. Незнание pa- v

боты датчика может привести к оши­ бочному истолкованию результатов измерения. Поэтому необходимы методы анализа работы датчиков, учитывающие их наиболее сущест­ венные свойства.

Многие приборы д л я измерения гидрофизических величин в диапазо ­ не измерения можно считать линей­ ными. Описание действия таких при­ боров начнем с датчиков. Пределы

применимости условия линейности Рис. 4. Характеристика датчика.

где Уо называется начальным значением выходной величины, а /Со — чувствительностью преобразования . При учете инерционных свойств датчика в это выражение в качестве слагаемого входит линейная функция производных и интегралов по времени от величины А' (ди­

пригодным для описания действия датчиков гидрофизических вели­

чины А' соответствует вполне определенное значение выходной ве­ личины У и наоборот. Н о такое положение справедливо только

водном из двух случаев:

1)входная величина постоянна в области измерения,

2)датчик имеет бесконечно м а л ы е размеры .

15