Лекція 9 прод
Вже давно в практику промислово-океанологічних досліджень та пошукових робіт увійшли та стали практично незаміннимиCTD-зонди, що дозволяють отримувати в процесі зондування профілі вертикального розподілу температури та електропровідності (солоності). Як правило, датчики всіх трьох параметрів разом з пристроями збору інформації розміщені в єдиному міцному корпусі занурюваного пристрою (ПУ) зонда. Іноді до комплектації зондів входять датчики інших параметрів (наприклад, гідрохімічних), а також інші вимірювачі та додаткове обладнання (датчик торкання дна, альтиметр тощо). Якщо вони не розміщені в корпусі зонда, а є зовнішніми по відношенню до нього, це вже розглядається як зондувальний комплекс. Однак від цього правила є низка відступів. Деякі виробники для розширення сфери застосування своїх виробів випускаютьCTD-зондиу вигляді модульної конструкції. Тому далі ми будемо називатиCTDзондами всі пристрої, які вимірюють електропровідність, температуру і тиск, незалежно від їхньої механічної конструкції або наявності додаткових пристроїв, у стандартному варіанті поставки включених до загального корпусу.
За експлуатаційними якостями всіCTD-зонди можна розділити на дві групи: зонди, що працюють на кабель-тросі, та автономні зонди, для використання яких достатньо звичайного троса. У той же час в обох групах можуть бути зонди різних метрологічних якостей і, відповідно, мають різний рівень складності. Серед виробниківCTD-зондів є кілька великих компаній-лідерів, які розробляють і випускаютьCTD-зонди, які відрізняються найбільш високими метрологічними характеристиками. Крім цих зондів, до виробничої програми таких компаній входять іінші різновиди зондів, як правило, менші. З цих компаній найбільш відомі фірми "Sea-Bird Electronics, Inc." (SВЕ), “Falmouth Scientific, Inс.” (FSI) та “IDRONAUT S.г.I.” (IDRONAUT).
Офіційно, найстарішою фірмою, що виробляє найточнішіCTD-зонди, є компанія SВЕ. Однак фірма FSI, що випускає не менш якісні зонди, по суті, продовжує працювати в тому ж напрямку і з тими самими співробітниками, що і компанія, створена раніше М. Брауном, і тому її також можна зарахувати до однієї з найстаріших. Обидві компанії сформувалися десь на рубежі 60-х та 70-х років. Італійська фірма IDRONAUT заснована лише в 1982 році, проте їїCTD-зонди своїми якостями вже здобули світову популярність. Нещодавно на рикуCTD-зондів з'явилася канадська фірма "Richard Вrаnсker Reaserch Ltd" (RBR), яка представила апаратуру, яка може скласти конкуренцію всесвітньо відомим моделямCTD-зондів.
Крім великих компаній, що спеціалізуються саме на розробці та виробництвіCTD-зондів, ряд фірм серед іншого океанографічного обладнання теж випускаєCTD-зонди, але меншої точності. Як правило, вони відрізняються нижчими цінами, і серед них є моделі, які можуть виявитися корисними під час досліджень на попутних судах. Деякі фірми випускаютьCTD-зонди, суміщені з іншими вимірювачами (теч, флуоресценції тощо), причому такі комбінації приладів зазвичай призначені для спеціальних областей застосування, наприклад, для буйкових або донних постановок, а також для використання у складі апаратури, що буксирується.
Класифікація зондів за їх технічними та експлуатаційними якостями
Кабельні зонди використовують кабель-трос для свогоелектроживлення та передачі даних про параметри середовища та іншої інформації на бортовий пристрій (БО). У ранніх моделяхCTDзондів ці дані переважно передавалися в аналоговому вигляді (зміна напруги, струму чи частоти) по многожильному кабель-тросу. Зараз практично у всіхCTD-зондах дані вимірювачів перетворюються на послідовний код і далі в цифровому вигляді передаються на СУ або відразу на комп'ютер. Як лінія зв'язку зазвичай застосовують одножильний кабель-трос. Якщо на тросі закріплено кілька різних пристроїв, то в цьому випадку може використовуватися багатожильний кабель-трос.
Головною перевагою кабельних зондів є можливість спостереження зміною вимірюваних величин у реальному масштабі часу. Особливо це важливо для спільної роботи зонда з касетою батометрів, де потрібний вибір горизонтів відбору проб безпосередньо під час зондування. Іншою важливою областю, де ця якість також необхідна, є використання зонда на носії, що буксирується, або в системі прокачування забортної води для оперативної оцінки характеристик водних мас, наприклад для пошуку фронтальних зон.
Автономні зонди отримують електроживлення від внутрішніх акумуляторів або батарей, а результати вимірювань реєструються в пристрої для подальшого зчитування на борту судна. У зв'язку з розвитком цифрової техніки та створенням недорогих твердотільних пристроїв пам'яті великого обсягу, цей тип зондів останнім часом набув широкого поширення. Однак можна відзначити, що в автономному режимі можуть працювати і багато модифікацій кабельних зондів, що мають вбудовані або приєднуються до них внутрішню пам'ять і власне джерело живлення. Деякі фірми спеціально випускають так звані логери - окреміблоки в міцному корпусі, які можуть підключатися до кабельних зондів і дозволяють їх використовувати як автономні.
Звичайні тросові лебідки значно дешевші за кабель-тросові як за своєю вартістю, так і в експлуатації. У зв'язку з цим, здатність зондування на звичайному тросі робить автономні зонди дуже привабливими для використання на судах, не призначених для наукових досліджень. Вигідним моментом є те, що в морських умовах автономні зонди практично не потребують спеціального обслуговування, тому деякі фірми виготовляютьCTD-зонди, що допускають їх експлуатацію персоналом з мінімальною кваліфікацією. Особливо популярними такі зонди стали на судах, що використовуються для побіжних досліджень, дозволяючи будь-якому члену екіпажу або прикомандированному науковому співробітнику працювати з зондом поодинці і практично з будь-якої мотузки.
Ще одна область, де автономні зонди є незамінним інструментом – це їх установка на довготривалі станції – донні, дрейфуючі тощо. Однак, на відміну від режиму зондування, де можливе застосування і кабельних зондів в автономному варіанті,CTD-зонди, що використовуються для довготривалих постановок, повинні мати дещо інші якості. Тут найбільшого значення набуває економічність електроживлення. З одного боку, виконання цього завдання потребує спеціальної елементної бази, а також відповідного підходу у виборі датчиків та схемних рішень. З іншого боку, для довгоперіодних вимірів немає потреби у частому опитуванні датчиків як із режимі зондування, навпаки - залежно від виконання поставлених завдань, період опитування може бути не більше хвилин до годин.
Останнім часом сформувалася принципово нова концепція побудовиCTD-зонда. За основу береться автономний режим роботи, всі електронні компоненти мають мінімальне енергоспоживання. Практично всі сучасні моделі зондів працюють під керуванням мікропроцесора із внутрішнім таймером, які є ядром функціональної схеми. Периферійні вузли зонда включають інтерфейси датчиків, плати пам'яті, пристрій зв'язку із зовнішнім комп'ютером та блок живлення. Використання мікропроцесора дозволяє програмувати роботу зонда через зовнішній комп'ютер залежно від напряму досліджень. Зокрема, можна вибрати період опитування датчиків у межах від часток секунд (режим зондування) до кількох годин, коли в проміжках включається режим енергозбереження і прилад ніби засинає, працюючи з мінімальним споживанням блоку живлення. Для застосування такого зонда в режимі зондування достатньо встановити інтерфейсну плату зв'язку з БУ через кабель-трос (наприклад, у відсіку для розміщення автономного живлення) і перепрограмувати мікропроцесор. Деякі зонди має додаткову енергонезалежну пам'ять для зберігання калібрувальних коефіцієнтів на датчики, що використовуються, і ряду програм, що реалізують різні режими роботи зонда.
Аналіз характеристик сучасних зондів та вимірюваних ними параметрів дозволяє класифікувати зонди за чотирма рівнями точності. Одночасно ці рівні мають відповідні ступені конструктивної складності базового приладу та варіантів комплектації, а також передбачають різні цінові межі як для апаратури, так і для вартості її експлуатації. Пропонується така класифікація:
1-й клас - це найвищий рівень, який передбачає вимірювання будь-якого масштабу, аж до робіт з міжнародних програм. Де-факто, критеріємвисокої метрологічної якості СТР-зондів є відповідність виконання завдань програми WОСЕ. Як правило, такі зонди є основою суднового зондувального комплексу, який встановлюється як штатне обладнання на всіх великих науково-дослідних судах. У зв'язку з тим, що однією з найважливіших складових такого комплексу є батометрична касета,CTD-зонд повинен бути обов'язково кабельним та передавати інформацію в масштабі реального часу.CTD-зонди 1-го класу мають найвищий ступінь складності і, відповідно, відрізняються високою ціною. Для їх експлуатації на закордонних судах існують спеціальні групи технічних фахівців, а їх калібрування проводиться найчастіше, причому лише у сертифікованих берегових центрах.
2-й клас - це середній рівень, що не вимагає найвищих метрологічних характеристик відCTD-зондів, але він повинен дозволяти проводити полігонні зйомки з використанням даних при вивченні мезомасштабних і, частково, дрібномасштабних процесів. Як правило, зонди цього класу значно простіше і дешевші за зонди вищого рівня. Однак іноді, при ретельному калібруванні, ці зонди допускається до використання на наукових судах як основні або можуть бути їх дублерами. Окремі моделіCTD-зондів 2-го класу можуть комплектуватись додатковими датчиками і навіть батометричними касетами. Для роботи з цим обладнанням зазвичай не потрібний численний персонал і, залежно від комплектації, достатньо 1-2 чоловік. Більшість зондів 2-го класу можуть працювати як у кабельному варіанті, так і в автономному. У зв'язку з цією обставиною такі зонди часто використовуються на суднах, не обладнаних кабель-тросовими лебідками, але залучених для ведення досліджень.середнього рівня.
3-й клас, або мінімальний рівень прикладних завдань (наприклад, у промислових дослідженнях) деCTD-зондів потрібен пошук промислових скупчень за ізотермами, а також забезпечення роботи гідроакустичних засобів (оцінка реальної швидкості звуку).CTD-зонди цього класу також використовуються для оцінки сезонних, синоптичних та частково мсзомасштабних процесів. Зазвичай, ці зонди є закінченим виробом і не комплектуються додатковими датчиками або іншим обладнанням. Зонди мають відносно малу вартість і можуть експлуатуватися персоналом без спеціальної кваліфікації. Як правило, такі зонди є автономними та можуть використовуватись на необладнаних судах.
4 клас, або ненормований рівень, включає зонди, призначені для допоміжних завдань, пов'язаних з оціночними вимірюваннями. Як правило, ці зонди мають в наборі ще кілька датчиків і являють собою легкий пристрій, що занурюється, пов'язане з цифропоказуючим БО багатожильним кабелем довжиною 30 - 200 м, намотаним на ручну хмиз. Іноді такі зонди мають варіанти з пам'яттю та автономним живленням. Ці пристрої повністю автономні, можуть використовуватися з легких плавзасобів і є своєрідними тестерами якості води.
У таблиці наводяться вимоги до основних характеристик зондів відповідно до їх класу та масштабу досліджуваних процесів. Ці вимоги включають лише оцінки можливих систематичних та випадкових похибокCTDвимірювання основних параметрів морської води. Вони не поширюються на можливі межі динамічних похибок вимірюванняCTD-параметрів, які можуть перевищувати один - два порядки значення, зазначені в таблиці.
Таблиця - Вимоги до основниххарактеристик зондів