Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование и разработка методов и аппаратуры для измерения ветрового волнения

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Максимов, Борис Андреевич

Введение.

Глава I. Современные представления о процессе ветрового волнения

§ I. Случайные процессы и их основные статистические характеристики

§ 2. Законы распределения элементов волн

§ 3. Связь мевду статистическими и спектральными характеристиками ветрового волнения . .II

Глава II. Методы исследования ветрового волнения по измерениям в точке и основные характеристики волноизмерительной аппаратуры

§ I. Измерения вертикальных волновых колебаний поверхности водн в точке.

§ 2. Волноизмерительная аппаратура и ее основные характеристики

Глава III. Волнографы с проволочными преобразователями сопротивления.

§ I. Электрические свойства воды.

§2. Проволочный преобразователь в воде.

§ 3. Волнографы с проволочным преобразователем. Основные их характеристики и результаты испытаний

§ 4. Волнограф судовой.

§ 5. Частотные характеристики волнографов с регистрацией на электронных потенциометрах.

Глава 1У. Принципы автоматического измерения волнения и их аппаратурная реализация . III

§ I. Основные методы анализа стационарных эргодических случайных процессов, применимые к измерению ветрового волнения. III

§ 2. Теоретические основы определения средней высоты волновых колебаний поверхности воды по размахам сигнала реализации

§ 3. Определение среднего приведенного размаха волно -вых колебаний поверхности воды по сигналу, квантованному по уровню.

§ 4. Аппаратурная реализация способа измерения приве -денного размаха волновых колебаний поверхности воды.

Введение Диссертация по географии, на тему "Исследование и разработка методов и аппаратуры для измерения ветрового волнения"

В настоящее время, пожалуй, нет такой области деятельности человека, связанной с морем, в которой учет ветровых волн не является условием успешного решения многих научных задач и инженерных.

Взволнованная поверхность воды представляет собой совокупность элементарных волн с различными амплитудами (высотами), частотами: (периодами), фазами, направлениями распространения. Элементарные волны складываются в бесконечном разнообразии комбинаций всех элементов.

Исходя из современных представлений о ветровом волнении при' измерениях могут ставиться следующие основные задачи:

- для информационных целей требуется получение статистических характеристик элементов волн, по которым можно вычислить функции распределения;

- для некоторых исследовательских целей (например, при изучении трансформации элементов волн при выходе их на мелководье или затухании волнового движения с глубиной) может потребоваться определение частотного спектра волнения;

- для исследования качки судов и других специальных целей требуется определение двумерного энергетического спектра; по нему можно рассчитать любые характеристики поля видимых волн; высоты, длины, периоды, направление и скорость распространения волн, их уклоны.

Для решения первых двух из названных задач достаточно измерять вертикальные колебания поверхности воды в точке, для решения третьей задачи, кроме того, необходимо измерять уклоны поверхности моря в этой же точке в разных направлениях или получать топограф-^ достаточно большого участка поверхности моря.

Морские ветровые волны имеют частоту колебаний примерно от 0,03 до 10 Гц и высоты от нескольких мм до 30 м. Естественно, что измерять волновые колебания в таком широком диапазоне амплитуд и частот каким-либо универсальным прибором практически невозможно. Однако, для большинства практических задач достаточно измерять волновые колебания с амплитудами 0,1-30 м и частотами от 2 до 0,03 Гц. Волны с такими параметрами можно измерять с помощью одного универсального прибора.

Измерение ветровых волн происходит в весьма неблагоприятных природных условиях, что предъявляет очень высокие требования к механической прочности, простоте и надежности волнографов (особенно к их измерительным преобразователям, работающим в воде).

Из известных средств исследования волнения наиболее перспективными для массовых измерений в настоящее время являются волнографы, позволяющие измерять волны в прибрежных районах, на судах и автоматических станциях. С помощью волнографов можно проследить за изменением во времени основных параметров волн. Располагая волнограммами или последовательностью ординат волнового профиля, их последующей обработкой, можно определить статистические и спектральные характеристики волнения.

Учитывая, что большинство волнографов обладают серьезными недостатками, необходимость в совершенствовании методики и волно-измерительной аппаратуры еще достаточно остра.

Для получения информации о волнении в определенный момент времени необходима регистрация и анализ совокупности не менее 150-200 волновых колебаний, следующих друг за другом. Процесс измерения в точке для этого должен длиться в среднем 20 минут. Полученная таким образом информация в виде последовательности ординат волновых колебаний из-за большого ее объема (10000-12000 трехразрядных десятичных знаков) не может быть передана по каналам связи, быстро обработана и использована в оперативных целях. Чтобы преодолеть это затруднение, необходимо также измерять сред-: ние значения основных элементов волновых колебаний из указанной совокупности. При этом появляется необходимость разработки методики и аппаратуры сжатия информации.

Настоящая работа посвящена исследованию и разработке методики и аппаратуры для измерения (в том числе, автоматического) ветрового волнения в морях, океанах, озерах и водохранилищах в прибрежных районах, с судов и автоматических станций, выполненных автором или под его непосредственным руководством.

В первой главе работы приведено краткое описание современного представления о ветровом волнении, как о случайном процессе волновых колебаний поверхности.

Вторая глава посвящена анализу методов и технических средств, применяемых для измерения ветрового волнения.

В третьей главе приведены основы теории, расчет и описание конструкций, методика применения и поверки волнографов, разработанных автором, а .также анализ их точностных и динамических характеристик.

Четвертая глава содержит теоретические основы и схемные решения устройств для сжатия информации о волнении в условиях автоматических измерений волновых колебаний поверхности моря, а так-л же результаты испытаний макетов автоматических измерителей волнения, разработанных под руководством автора.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Максимов, Борис Андреевич

Основные выводы, полученные в работе, сводятся к следующему:

1. Исходя из современного представления о ветровом волнении для его измерения в настоящее время наиболее приемлемы приборы, позволяющие получать реализации вертикальных волновых колебаний поверхности воды в точке (волнографы).

2. Результаты измерения волнения, получаемые различными приборами, существенно различны при одних и тех же внешних условиях и характеристиках процесса волнения. Динамические характеристики приборов, не преобразующих волновые колебания поверхности моря в точке непосредственно в измеряемую величину, различны. В силу воздействия на буй при волнении все буйковые волнографы искажают регистрируемый процесс. Поэтому вопросы упрощения аппаратуры, повышения ее надежности и улучшения точностных и эксплуатационных характеристик весьма актуальны.

Приборы для автоматического измерения волнения отсутствуют.

3. Рассмотрение закономерностей электропроводности морской воды, основанное на теории электропроводности водных растворов сильных электролитов и законах электромагнитного поля, служит основой для развития теории преобразователя, непосредственно трансформирующего волновые колебания поверхности воды в точке в электрическую величину. Анализ распределения тока и напряжения вдоль проволоки как функции глубины ее погружения под поверхность воды показал , что падение напряжения от нее к толще воды остается постоянным независимо от изменения уровня. Это важное обстоятельство позволило рассматривать мгновенный уровень поверхности воды как короткое замыкание на землю с постоянным сдвигом нуля за счет поляризации, а погруженную в воду высокоомную проволоку - как реостат, ползунком которого является тонкий поверхностный слой воды. Экспериментальные данные подтвердили полученный результат.

4. Разработанная методика, расчет и экспериментальные исследования показали, что амплитуды и частоты волновых колебаний лежат в зоне линейной амплитудно-частотной характеристики приборов и что для регистрации процесса волнения пригодны электронные потенцио -метры с быстродействием 2,5с и менее.

5. Методика определения средней высоты и среднего периода волновых колебаний по среднему абсолютному значению сигнала посредством двухполупериодного выпрямления центрированной реализации и последующего однократного или двухкратного итерирования также позво -ляет определить среднюю высоту волновых колебаний по данным о вертикальной скорости или ускорении перемещения поверхности воды в точке. Теоретически погрешность метода колеблется в пределах 8% для волнения различных типов.

6. Оценку средней высоты волновых колебаний поверхности воды в точке можно производить по среднему приведенному размаху колебаний. Для нормальных узкополосных стационарных случайных процес -сов величина ( 2чст0)* определяет как средний размах, так и средний приведенный размах или среднюю высоту волновых колебаний .

Для процессов волнения с широкополосным спектром эта величина приведенный определяет только средний^размах.

7. Аппаратурная реализация метода измерения среднего приведенного размаха сигнала во многих случаях представляет собой более простую задачу, чем измерения среднего абсолютного (средневып -рямленного) значения этого сигнала или его производных.

Для определения 1-ц, необходимо выходной сигнал преобразова -теля представить в дискретном виде (например, последовательностью электрических импульсов), тогда операция аналогового интегрирования заменяется суммированием с помощью электронного счетчика. Полученное значение делят на число пересечений реализацией среднего нулевого уровня, которое определяют с помощью нуль-органа и счетчика, и получают средний приведенный размах. Этот способ применим для измерителей волнения с дискретным преобра -зователем.

Используя зависимости из статистической радиотехники, решение задачи найдено также для случая, при котором аналоговый сигнал подвергается нелинейному преобразованию (квантованию по уровню с равномерным шагом). Получен достаточно простой алгоритм, легко реализуемый аппаратурно.

В результате выполненной работы: - дан анализ методов и характеристик применяемых технических средств (волнографов) для измерения волновых колебаний поверх -ности воды;

- проведено дальнейшее развитие теории измерения волновых коле -баний поверхности воды контактными методами, использующими проводимость воды для тока звуковой частоты, предназначенными для измерений с опор в мелководной зоне, а также с судов и автоматических буйковых станций;

- разработан простой, надежный и достаточно точный преобразоваг тель, предложены оптимальная измерительная схема с однопроводной линией связи и источник питания датчика током звуковой частоты;

- предложена схема многоканальных приборов для исследования тонкой структуры взволнованной водной поверхности;

- исследован характер и определены величины возможных основных и дополнительных погрешностей разработанных схем;

- разработана методика и определены динамические характеристики предложенных волнографов путем совместного решения дифференциа -льного уравнения движения каретки и графоаналитического расчета их: наиболее инерционных звеньев - электронных потенциометров- и анализа частотных характеристик ветрового волнения;

- предложены методики применения и поверки разработанной аппаратуры при измерениях с берега и судов;

- разработана методика измерения волнения с качающегося судна;

- разработан метод получения средних и максимальных значений ocho вных элементов волнения непосредственно в процессе измерения.

Полученные новые научные результаты дали возможность:

- создать достаточно простые и надежные волнографы для измерения волнения в прибрежной зоне, со свайных оснований и с судов, разработки выполнены на уровне изобретений, приборы серийно выпус -каются промышленностью СССР;

- разработать многоканальные волнографы, которые использованы для установления зависимостей между морским волнением и отражаемыми им электромагнитными волнами;

- для нового поколения прибрежного и судового унифицированных автоматических волнографов, также выполненных на уровне изобретения, разработать технические задания изготовить и испытать опытные образцы с целью внедрения в серийное производство.

Дальнейшая задача состоит во внедрении нового поколения автоматических волнографов для оперативных и научных целей на морских береговых гидрометеорологических станциях, свайных основаниях, судах и буях.

В заключение автор выражает благодарность научному руководителю работы, доктору технических наук, профессору Глуховскому Б.Х. за ценные советы и указания, а также сотрудникам лаборатории океанографической техники Государственного океанографического института за помощь в выполнении исследования и оформлении диссертации.

Заключение

Выполненная работа позволила развить теорию первичного преобразователя, непосредственно преобразующего волновые колебания поверхности моря в электрическую величину, исследовать свойства этого преобразователя и определить на этой основе наиболее оптимальные характеристики электрических схем волноизмерительной аппаратуры;

- создать комплекс приборов и методов для практических измерений волновых колебаний в одной или множестве точек как в стационарных, так и в судовых условиях;

- исследовать точностные и динамические характеристики предложенной волноизмерительной аппаратуры и разработать методику её применения;

- разработать метод измерения ветрового волнения в автоматическом режиме;

- создать на безе разработанных преобразователей и метода измерения приборы для автоматического измерения волновых колебаний поверхности моря с целью получения оперативной информации о средних и максимальных значениях высот и периодов ветровых волн:

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Максимов, Борис Андреевич, Москва

1. А.с.100855 (СССР): Способ дистанционного измерения и регистрации скорости распространения поверхностных волн в озерах, водохранилищах и мелководных участках морей и устройство для осуществления этого способа /Кокоулин П.П.- 1954.

2. A.c.135239 (СССР): Устройство для измерения параметров морских волн /Богородский М.М. Опубл.в Б.И., 1961, №2.

3. A.c.147785 (СССР): Устройство для записи высот и периодов морских волн /Максимов Б.А. Опубл.в Б.И., 1962, №11.

4. А.с.150237 (СССР): Устройство для измерения и регистрации! высоты и среднего периода волн /Куклин А.К. 1961.

5. А.с.152071 (СССР): Электроконтактный волнограф /Ибрагимов

6. A.M., Агаларов Э.С., Мамедяров Ш.Д.- Опубл.в Б.И., 1962, №23.

7. A.c.I95I36 (СССР): Струнный волнограф /Дрейер A.A., Морозов

8. B.М. Опубл.в Б.И., 1967, №9.

9. A.c.271829 (СССР): Волнограф /Максимов Б.А., Фетисов В.М. -Опубл.в Б.И., 1970, №18.

10. А.с.317897 (СССР): Способ определения средней высоты ветровых волн /Глуховекий Б.Х. Опубл.в Б.И., 1971, №31.

11. А.с.345358 (GCCP): Устройство для измерения средней высоты ветровых волн /Глуховекий Б.Х. Опубл.в Б.И., 1972, Р22.

12. A.c.348901 (СССР): Волнограф /Киреев И.В., Монахов Л.Ф., Агаларов Э.С. Опубл.в Б.И., 1972, №25.

13. А.с.464835 (СССР): Способ определения среднеквадратичного отклонения случайного сишала /Трубкин И.П., Максимов Б.А., Матушевский Г.В. Опубл.в Б.И., 1974, №11.

14. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.-М.: Высшал школа, 1962.

15. Браславский А.Авиационные приборы.-М.: Оборонгиз, 1948.

16. Вершинский Н.В., Кестнер А.П. Прибрежные электрические волнографы.- Труды океанографической комиссии, 1956, т.1, с. 126-133.

17. Виленский Я.Г., Глуховский Б.Х. Радиоизмеритель волн открытого моря Ш-32. Методические указания №28.-М.: Гидрометео-издат, 1966.- 82с.

18. Виленский Я.Г., Глуховский Б.Х. Тензометрический судовый волнограф ГМ-16.-Труды ГОШ, 1958, вып.47, с.48-78.

19. Глесстон С. Ввёдение в электрохимию.-М.: Изд.иностранной литературы, 1951.

20. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения.-Л*: Гидрометеоиздат, 1966.- 284с.

21. Государственные стандарты СССР. Океанология. Ветровые волны и зыбь. Термины и определения. ГОСТ 18455-73, с.29-39.

22. Давидан Й.Н., Бочкарев А.К., Трапезников Ю.А. Опыт применения модернизированных волнографов Ш-16М и Ш-32. Труды ГОИН, 1973, вып.117, с.104-111.

23. Ефимов В.В., Сизов A.A., Христофоров Г.Н. Волнограф с коаксиальным емкостным датчиком.-В кн.: Методика и аппаратура для гидрофизических исследований. Киев, 1969, с.97-101.

24. Зайдель А.Н. Ошибки измерений ф/изических величин.-Л.: Наука, 1974.

25. Крылов Ю.М. Статистическая теория и расчет морских ветровых волн. Труды ГОИН, 1958, вып.42, с.3-38.

26. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и. расчета морских волн.-Л.: Гидрометеоиздат, 1966.- 255с.

27. Куклин А.К. Измерение волн глубокой воды радиоволнографом. Труды Восточно-Сибирского филиала Сибирского отделения АН СССР, 1958, вып.15.

28. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники." Кн.1.- М.: Советское радио, 1969. 751с.

29. Максимов Б.А. Метод измерения волнения на автоматических гидрометеорологических буйковых станциях: Научно-технический отчет.- М.: ГУГМС, ГОИН, инв.Р 3290, 1973.- 59с.

30. Максимов Б.А. Наблюдения над волнением в период Ш морской Антарктической экспедиции на д/э "Обь" В инф.сб. Р 7, 1959, с.90-97.

31. Максимов Б.А. Прибрежный волнограф.- Труды НИИ ГМП, 1971, вып.24, с.91-96.

32. Максимов Б.А. Прибрежный волнограф Ш-61. Методические указания Р 38.- М.: ГУГМС, 1973.- 32с.

33. Максимов Б.А. Судовой волнограф.- Труды ГОИН, 1970, вып.103, с.190-199.

34. Максимов Б.А. Судовой волнограф ГМ-62. Методические указания Р 39.- М.: ГУГМС, 1974.- 58с.

35. Максимов Б.А. Частотные характеристики волнографов с записью на ЭПП-09.- Труды НИИ ГМП, 1971, вып.25, с.93-98.

36. Максимов Б.А., Козлов М.В., Трубкин И.П. Метод измерения волнения на автоматических гидрометеорологических буйковых станциях,- Москва, 1975- 102с. Рукопись предст.Гос.океанографическим институтом. ВИТИЦ, №-387210.

37. Максимов Б.А., Трубкин И.П. Волнограф для гидрометеорологических станций.- Труды ГОИН, 1977, выл.136, с.75-82.

38. Матушевский Г.В. О средних длинах волн и гребней нерегулярного трехмерного волнения.- Океанология, 1964, 1964, т.5, вып.6, с.947-953.

39. Мастеров Ю.Зь Автономный радиоволнограф для гидрологического обеспечения: морского бурения.- Метеорология и гидрология 1979, PI, c.IIO-113.

40. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайного процесса.-М.: Энергия, 1972.- 432с.

41. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля.-М.: Высшая школа, 1964.

42. Райе С.О. Теория флуктуационного шума.-В сб.: Теория передачи электрических сигналов при наличии помех: Иностранная литература, 1953.

43. Рехтзамер Г.Р. Об ошибках измерения высот волн при применении волнографа В0М-47-ТМ.- Метеорология и гидрология, 1953, № 8, с.49-52.

44. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях.-М.: Гидрометеоиздат, 1977.- 725с."

45. Смирнов A.B., Исаев М.Д. Акселерометрический датчик волне--, ния,- Биол,внутр.волн. Йнф.бюл., 1975, Р28, с.64-66.

46. Солодовников В.В. ВВедение в статистическую динамику систем автоматического регулирования.-М.: Гостехиздат, 1952.

47. Тамм И.Е. Основы теории электричества.-М.: Госиздат техни-ко-теоретич.лит., 1957.- 627с.

48. Теляев Н.И.»Волнограф открытого моря.- Ученые записки ВАМУ им.адмирала Макарова, 1954, вып.5, с.12-20.

49. Темников Ш.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники.-М.: Энергия, 1971.- 424с.

50. Трубкин И.П., Максимов Б.А. Способ определения средней высоты волновых колебаний поверхности моря.- Океанология, 1975, № б, c.III6-III9.

51. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.-М.: Советское радио, 1966.- 678с.

52. Труды координационного совещания по гидротехнике, 1969, вып.51.

53. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления,- т.2.- М.: Гостехиздат.- 860с.

54. Харкевич А.А. Спектры и анализ.-М.: Физматгиз, 1962.-192с.

55. Шайтан B.C. Исследование ветровых волн на водохранилище.-Труды гидравлической лаборатории ВОДГЕО, 1962, Р 9,с.19-57.

56. Элиасберг А.Я. Дистанционный автоматический волнограф.-Труды НИИ ГМП, 1966, вып.15, с.79-96.

57. Adamo L., Steele К., Burdette Е. A GEOS-reporting wave rider buoy.- Oceans'78 4th Annu Combin. Conf.Ocean Challenge Washington, D.C., 1978; N.X., 1978,p.31-36.

58. Andersson A., Shirley D., Wilkins L. An improved capacitance wave-staff for water surface wave measurements.-In:, Oce-an-72 IEEE Int.Conf.Eng Ocean Environ. Res., Newport, R.I., 1972, N.X., 1972, p.483-486.

59. Anonim Acoustic meter for ocean waves. J.Acoust.Soc.Amer., 1968, v.46, N 2, p.316.

60. Biglow Y. Low cost wave recording system.- Marine Sci.Inst-rum., 1968, v.4, p.94-98.

61. Canada's wave climate and field measurement program./Bair W., Wu.H., Holland G., Wilson Y.- 3-rd Annu.Offshore Tech* nol.Conf., Houston, Tex., 1971, Preprint, v.2, Dallas,Tex.,61,62