Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка и исследование высокоразрешающей многоканальной системы акустического мониторинга колебаний морской поверхности

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Краснобородько, Василий Всеволодович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА

МОНИТОРИНГА МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ.

§1.1 Классификация основных методов измерения уровня жидкости.

§1.2 Принципы измерения уровня моря.

§1.3 Принципы измерения характеристик морского волнения.

§1.4 Недостатки традиционных измерителей волнения и постановка задачи.

ГЛАВА 2. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ

УРОВНЯ ЖИДКОСТИ.

§2.1 Характеристики распространения акустических волн в однородных средах.

§2.2 Метод измерения уровня жидкости с помощью продольных волн в заполненной воздухом трубе.

§2.3 Метод измерения уровня жидкости с помощью поперечных волн в слабоупругой струне.

§2.4 Метод измерения уровня жидкости с помощью крутильных волн в тонкой плоской струне.

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АКУСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОЛНЕНИЯ.

§3.1 Основные технические принципы построения системы.

§3.2 Технические характеристики, устройство и функционирование системы.

§3.3 Алгоритмы обработки данных и калибровки системы.

§3.4 Конструкция и сертификация системы.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка и исследование высокоразрешающей многоканальной системы акустического мониторинга колебаний морской поверхности"

Мониторинг колебаний морской поверхности является одной из важнейших задач современных океанологических исследований и обеспечения морских работ, предупреждения чрезвычайных и катастрофических ситуаций в прибрежных морских районах и зонах наводнений, а его методы могут использоваться также в промышленности для контроля уровня жидкости.

В океанологии мониторинг колебаний морской поверхности необходим для измерения величины и спектра морского волнения, изучения сгонно-нагонных явлений, исследования волн цунами и сейшей, определения высоты приливов и отливов, и т.п. [1-4]. Мониторинг колебаний морской поверхности требуется для обеспечения различных видов морских работ, в частности, при эксплуатации нефтедобычных платформ, возведении конструкций на морском дне, подъеме затонувших объектов и т.п. [5].

Мониторинг колебаний морской поверхности необходим для предотвращения чрезвычайных и катастрофических ситуаций [6], существенно возросших по числу и тяжести последствий в последнее время. Он позволяет обеспечить предупреждение и мониторинг наводнений в прибрежных районах, заливах, устьях рек и акваториях портов, вызванных ветровым воздействием, ливнями, штормами и ураганами. Системы мониторинга могут быть объединены в автоматизированный комплекс предупреждения чрезвычайных ситуаций, что позволит сохранить значительные материальные ресурсы и обеспечить безопасность населения.

Высокоточное автоматическое измерение динамики уровня жидкости, методически сходное с мониторингом колебаний морской поверхности, требуется во многих отраслях современной промышленности [7]. Особенно актуальны такие измерения в базовых отраслях современной промышленности - нефтедобыче и нефтепереработке - для высокоточного контроля уровня жидких нефтепродуктов - нефти, дизтоплива, бензина, керосина и машинных масел в резервуарах. Отметим, что ошибка измерения уровня в 1 мм. в резервуаре диаметром 100м. приводит к ошибке в определении объема в 10м3 или массы около Ют. Кроме того, весьма актуален вопрос контроля объемов продукции спиртоперегонных и молокоперерабаты-вающих заводов,вносящих существенный вклад в экономику страны.

В океанологии широкий спектр колебаний морской поверхности подразделяется на две области: низкочастотных (длиннопери-одных) колебаний уровня и высокочастотных (короткопериодных) колебаний, называемых морским волнением [1-4]. Низкочастотные колебания присущи приливам, цунами, сейшам и нерегулярным сгонно-нагонным явлениям, вызванным преимущественно действием ветра в прибрежной зоне, и характеризуются периодами более 1мин. Область морского волнения (высокочастотные колебания) включает зыбь и ее предшественники, ветровое волнение, рябь и капиллярные волны, и характеризуются периодами менее 1мин.

Измерения низкочастотных и высокочастотных колебаний морской поверхности основаны на сходных принципах, однако их реализация обычно имеет существенные особенности [8-11]. При наблюдениях низкочастотных колебаний уровня одной из наиболее важных особенностей является необходимость фильтрации высокочастотных колебаний, т. е. ветрового волнения и зыби, а в специальных случаях выделение узкой полосы частот (периодов), т.е. полосовая фильтрация. Для высокочастотных колебаний уровня динамический диапазон высот волнения может достигать 100 дБ (от десятка метров до долей миллиметра), что требует специальных методов и средств его наблюдения.

В океанологических исследованиях для мониторинга колебаний морской поверхности используются датчики уровня и волнографы. Принцип действия этих приборов основан на измерении смещения поплавка (поплавковые датчики), гидростатического давления (гидростатические датчики), электрического сопротивления полупогруженной в жидкость проволоки (струнные датчики) и т.п. [9,11]. Гидростатические волнографы устанавливаются на заглубленных буях или дне моря, а поплавковые и струнные - на стационарных опорах. Традиционные измерители обладают рядом недостатком, к которым можно отнести недостаточное разрешение по высоте, отсутствие многоканальности, небольшой динамический диапазон измеряемых высот, ограниченную область их применения, недостаточную автоматизацию и компьютеризацию, невысокую оперативность применения и т.п.

Отмеченные недостатки стимулируют разработку более совершенных методов и средств мониторинга колебаний морской поверхности. Эти методы и средства позволили бы более адекватно исследовать некоторые аспекты низкочастотного волнения, нелинейные эффекты в высокочастотной части спектра волнения, в частности взаимодействие капиллярных волн (амплитуды ~1см и частоты ~1Гц) с длиннопериодной зыбью, пространственно-корреляционные характеристики морского волнения, а также контролировать волнение в лотках волнопродукторов и бассейнах.

В последнее время с участием автора были разработаны ранее не применявшиеся физические принципы измерения уровня жидкости, основанные на акустической локации поверхности жидкости по звукопроводу, а также усовершенствованные математические методы обработки информации [12,13]. Кроме того, были разработаны оригинальные волноустойчивые морские носители, снижающие в 45 раз волновые возмущающие силы и моменты, а также вертикальную и угловую качку [14]. В этой связи появилась реальная возможность разработки высокоточной многоканальной системы оперативного мониторинга морского волнения, действующей на таком волно-устойчивом носителе. Разработка подобной системы позволяет проводить существенно более точные измерения параметров колебаний морской поверхности вдали от берегов.

Цель настоящей работы состоит в разработке принципов и технической реализации высокоразрешающей многока-нальной системы мониторинга колебаний морской поверхности для исследования некоторых аспектов низкочастотных колебаний, нелинейных эффектов высокочастотных колебаний, капиллярных волн, пространственно-корреляционных характеристик волнения, а также мониторинга волнения в лотках волнопродукторов и бассейнов.

Задачами настоящей работы являются:

1. Анализ достоинств и недостатков существующих средств мониторинга колебаний морской поверхности и определение на этой основе наиболее перспективных подходов к разработке более совершенной системы мониторинга.

2. Разработка физических принципов построения системы и методов обработки информации для достижения высокого разрешения, многоканальности, универсальности, оперативности и полной автоматизации системы.

3. Техническая разработка конструкции, узлов и схемотехники системы, создание программного обеспечения и техническая реализация системы.

4. Полные технические испытания системы, ее сертификация и внедрение в практику.

Научная новизна работы заключается в использовании ранее не применявшихся физических принципов измерения колебаний морской поверхности, методов обработки информации, а также совмещение ее с волноустойчивым носителем в океанологических исследованиях, приведших к созданию качественно новой высокоразрешающей многоканальной универсальной автоматизированной си-темы оперативного мониторинга колебаний морской поверхности. Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработанная система позволяет исследовать низкочастотные колебания морской поверхности, нелинейные эффекты ее высокочастотной составляющей, капиллярные волны, пространственно-корреляционные характеристики волнения, контролировать колебания поверхности в лотках волнопродукторов, а также обеспечивать морские инженерные работы.

2. Разработанная система может использоваться в качестве важного элемента автоматизированной сети предупреждения чрезвычайных и катастрофических ситуаций в прибрежных морских зонах и на затопляемых территориях.

3. Разработанная система позволяет существенно увеличить точность автоматических измерений уровня жидкости в промышленности, в частности контроль уровня жидких нефтепродуктов.

Система официально испытана и сертифицирована Госстандартом Российской Федерации, рекомендована для использования в научно-исследовательских работах и промышленности, а ее модификации успешно эксплуатируется на промышленных предприятиях - нефтеперерабатывающих, спиртоперегонных и молокопере-рабатывающих заводах.

Личный вклад автора заключается в подробном анализе достоинств и недостатков существующих средств измерения колебаний морской поверхности, формулировании цели исследований в соответствии с существующими проблемами, разработке физических принципов измерений и методов обработки информации системы, технической разработке узлов, блоков и схемотехники системы, разработке программного обеспечения и проведении технических испытаний системы, а также внедрение ее в промышленность.

Основные положения диссертации докладывались на семинарах и коллоквиумах лаборатории Телеуправляемых подводных аппаратов и роботов, лаборатории Гидролокации дна и лаборатории Рассеяния и отражения звука ИОРАН, отделения БЧСК РАЕН, школах и IV Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-98). По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе и в Акустическом журнале.

Работа состоит из введения, трех глав, включающих в себя 12 параграфов, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит страниц текста, 16 рисунков, 6 таблиц, а список литературы содержит 70 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. Заложенные в систему физические принципы, заключающиеся в использовании отражения поперечных и крутильных волн в струне на границе с жидкостью.

10

2. Теоретическое исследование точностных характеристик предлагаемых методов в зависимости от факторов окружающей среды.

3. Заложенные в систему алгоритмы обработки информации и калибровки тракта, основанные на использовании сложных зондирующих сигналов.

4. Совместное использование системы с оригинальным волноустой-чивым носителем для исследования морского волнения в глубоком океане.

5. Оригинальные технические и схемотехнические решения узлов и блоков системы, а также созданное программное обеспечение.

6. Создание высокоразрешающей многоканальной универсальной системы акустического мониторинга колебаний морской поверхности, сертифицированной Госстандартом Российской Федерации и внедренной в практику.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Краснобородько, Василий Всеволодович

Основные результаты работы.

1. Выявлены достоинства и недостатки традиционных методов и средств мониторинга колебаний морской поверхности и определены наиболее перспективные направления их развития.

2. Предложены новые физические принципы измерения уровня жидкости, основанные на отражении поперечных и крутильных акустических волн в плоской струне на границе с жидкостью за счет разности импедансов отрезков струны в воздухе и жидкости, обусловленной присоединенной массой или моментом инерции жидкости.

3. Исследованы точностные характеристики предлагаемых методов и их зависимость от возмущающих факторов окружающей среды.

4. Предложены новые алгоритмы обработки информации, основанные на использовании сложных локационных сигналов и корреляционно-фазовой обработки эхосигналов.

5. Предложено совместное использование системы с оригинальным волноустойчивым носителем для минимизации влияния качки при исследовании морского волнения в глубоком океане.

6. Предложены оригинальные технические и схемотехнические решения узлов и блоков системы, а также создано программное обеспечение.

7. Разработанна высокоразрешающая многоканальная универсальная система акустического мониторинга колебаний морской поверхности, которая была сертифицирована Госстандартом Российской Федерации.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Краснобородько В.В. и др. Новый акустический метод измерения уровня жидких нефтепродуктов. // Акуст. Журн., 1998, Т.44, № 4, С. 480-485.

2. Краснобородько В.В. и др. О погрешностях акустического измерения уровня жидкости и методах их снижения. //Акуст. Журн., 1999.

3. Краснобородько В.В., Клюев М.С. Мониторинг уровня моря акустическими методами. Материалы IV Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-98). ИОРАН, 1998, Техника, С.86.

4. Краснобородько В.В., Клюев М.С. О потенциальной точности акустического мониторинга уровня моря и путях ее повышения. Материалы IV Международной научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-98). ИОРАН, 1998, Техника, С.87.

5. Краснобородько В.В., Клюев М.С. Система акустического мониторинга уровня моря в геопатогенных зонах. Труды научной конференции «Геоактивные и геопатогенные зоны». Отд. Без. РАЕН, 1998.

6. Краснобородько В. В. и др. Разработка и исследование высокоразрешающей многоканальной системы акустического мониторинга уровня жидкости. Отчет по НИР. М.: ИОРАН, 1998, 74с.

7. Краснобородько В.В. Методы увеличения точности акустических измерителей уровня при эксплуатации в реальных условиях. Д.р. М.: МФТИ, 1995, 25с.

8. Краснобородько В.В. и др. Акустический комплекс измерения уровня. Регистрационный номер №14397-95 в государственном Реестре средств измерения. Сертификат об утверждении типа средств измерения №1310. Госстандарт России, 1995.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Краснобородько, Василий Всеволодович, Москва

1. Шулейкин B.B. Физика моря. М.: Наука, 1968, 1083с.

2. Физика океана. Под ред. Ю.П.Доронина. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 294с.

3. Егоров Н.И. Физическая океанография. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 455с.

4. Шокальский Ю.М. Океанография. Л.: Гидрометеоиздат, 1959, 537с.

5. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1989, 232с.

6. Краснобородько В.В., Клюев М.С. Система акустического мониторинга уровня моря в геопатогенных зонах. Труды научной конференции «Геоактивные и геопатогенные зоны». Отд. Без. РАЕН, 1998.

7. Бабиков О.И. Контроль уровня с помощью ультразвука. Л., 1971.

8. Доценко C.B. Теоретические основы измерения физических полей океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 152с.

9. Маклаков А.Ф., Снежинский В.А., Чернов Б.С. Океанографические приборы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 384с.

10. Ю.Дерюгин К.К., Степанюк И.А. Морская гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 392с.

11. Степанюк И.А. Океанологические измерительные преобразователи. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 272с.

12. Краснобородько В.В., Клюев М.С. Мониторинг уровня моря акустическими методами. Труды IV Международной научно-технической конференции «Современные методы и средстваокеанологических исследований» (МСОИ-98). ИОРАН, 1998, Техника, с.86.

13. Пыльнев Ю.В., Разумеенко Ю.В. Волностойкие формы морских объектов, снижающие в 4-5 раз волновые возмущающие силы и моменты. Патенты Российской Федерации №2011599, №2034738.

14. Frank J. Berto Review of tank measurement errors reveals techniques for greater accuracy. // Oil & Gas Journal, 1997, Mar. 3, p. 68-73.

15. Frank J. Berto Automatic gauging technologies have advanced, but better accuracy is needed.// Oil & Gas Journal, 1997, Mar. 10, p. 63-68.

16. Бергман Л. Ультразвук. M.: Изд. ин. лит., 1956, 726с.

17. Галустян О.Э., Кремнев A.B., Лакеев А.И., Печурин С.А., Попов В.З. Магнитострикционный преобразователь перемещения в код. Патенты РФ на изобретения, Бюллетень №31 от 10.11.95, патент №2048040.

18. Артемьев Э.А., Дружинин В.А. и др. Автоматизация производственных процессов. / Известия ВУЗов Минрыбхоза СССР, вып.1, г.Астрахань, 1969, с. 157-162.

19. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Л.: Энергия, 1970, 360с.

20. Шендерович И.М. Аппаратура для изучения волн цунами. Л.: Гид-рометеоиздат, 1977, 86с.

21. Синтез активных RC-цепей. Под ред. A.A. Ланнэ. М.: Связь, 1975, 296с.

22. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат, 1983, 320с.

23. Трейер В.В. Электрохимические приборы. М.: Советское радио,1978, 88с.

24. Ахметжанов A.A. Высокоточные системы передачи угла автоматических устройств. М.: Энергия, 1975, 288с.

25. Арбузов И.А. Электрические измерения гидрологических величин. Л.: Изд. ЛГМИ, 1975, 158с.

26. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. М.: Наука,1979, 327с.

27. Мар Г.Н., Шендерович И.М., Фолимонов С.А., Дистанционный измеритель уровня для озер и водохранилищ. Труды НИИГМП, 1983, Вып 43, С.60-63.

28. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, 725с.

29. Касимадзе М.С., Халилов Р.Ф., Балашов А.Н. Электрокинетические преобразователи информации. М.: Энергия, 1973, 134с.

30. Григоров О.Н. Электрокинетические явления. Л.: Изд-во ЛГУ, 1973, 212с.

31. Шули А. Электронная аппаратура в океанографии. Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 64с.

32. Степанюк И.А. Вариации электрического и магнитных полей в приводном слое атмосферы при морском волнении. // Структура и динамика вод Мирового океана, 1983, Вып.80, С. 140-146.

33. Максимов Б.А. Прибрежный волнограф. Труды НИИГМП, 1971, Вып.24, С.90-95.

34. Зб.Давидан И.Н., Трапезников Ю.А. Проблемы исследования высокочастотной области спектра ветрового волнения. Обзор. Обнинск, Изд. ВНИИГМИ-МЦД, 1981, 46с.

35. А.С. 678313 СССР, МКИ G 01 С 13/00. Способ измерения параметров морских волн и устройство для его осуществления. М.М.Усенков. №2121432/18-10. Заявлено 12.06.76. Опубл. 23.04.77. Бюлл. изобр. СССР, №29, С. 184.

36. ЗЭ.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Мир, 1968, 742с.

37. А.С. 1052869 А СССР, МКИ G 01 С 13/00. Устройство для измерения параметров волнения. И.А.Степанюк. №3367076/18-10. Заявлено 16.12.81, Опубл. 7.11.83. Бюлл. изобр. СССР, 1983, №41, С.158.

38. Агейкин Д.И., Костина E.H., Кузнецова H.H. Датчики контроля и регулирования. М.: Машиностроение, 1965, 643с.

39. Азимов Р.К. Измерительные преобразователи с тепловыми распределенными параметрами. М.: Энергия, 1977, 78с.

40. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. М.: Наука, ГРФМЛ, 1979, 552с.

41. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. Пер. с англ. М.: ФИЗМАТГИЗ, 1962, 248с.

42. Краткий технический справочник. Под ред. В.А. Зиновьева. М.: ГИТТЛ, 1952.

43. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. М.: Изд.Иностр.Лит., 1956, 726с.

44. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. / М.: Советская энциклопедия, 1979, 400с.

45. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973, 495с.

46. Скучик Е. Основы акустики. Тома 1-2. Пер. с нем. М.: Изд. ин. лит., 1958-1959, 618-566С.

47. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972, 288с.

48. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981, 416с.

49. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. / Пер. с англ. М.: Мир, 1989, 540с.

50. Клюев М.С., Краснобородько В.В., Селиванов В.Г, Сычев В.А. Новый акустический метод измерения уровня жидких нефтепродуктов. // Акуст. Журн., 1998, Т.44, № 4, С. 480-485.

51. Морз Ф. Колебания и звук. / Пер. с англ. М.-Л.: Гостехиздат, 1949, 496с.

52. Морс Ф. М., Фешбах Р. Методы теоретической физики. Т. 1-2. / Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1958-1960, 930-886с.

53. Бреховских Л.М., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред. М.: Наука, 1982, 335с.

54. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Теоретическая физика. T.VII. М.: Наука, ГРФМЛ, 1987, 248с.

55. Лэмб Г. Динамическая теория звука. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1960, 372с.

56. Fernandez G. Forced transverse vibrations of a submerged tensioned string. / Journal of Sound and Vibrations, 1984, v.96, №.1, p.37-43.

57. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики. М.: Наука, 1966, 448с.

58. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочние по математике. М.: ГИТТЛ, 1954, 608с.

59. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. М.: Наука, 1968, 720с.

60. Клюев М.С., Краснобородько В.В., Клюев С.П. О погрешностях акустического измерения уровня жидкости и методах их снижения. //Акуст. Журн., 1999.

61. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т.1. М.: Наука, ГРФМЛ, 1975, 832с.

62. Феодосьев В.И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М.: Наука, ГРФМЛ, 1973, 400с.

63. Белл Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Часть 1. Малые деформации. Пер. с англ. М.: Наука, ГРФМЛ, 1984, 600с.

64. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, ГРФМЛ, 1973,720с.

65. Краснобородько В.В. и др. Акустический комплекс измерения уровня. Регистрационный номер №14397-95 в государственном Реестре средств измерения. Сертификат об утверждении типа средств измерения №1310. Госстандарт России, 1995.

66. Краснобородько В.В. Методы увеличения точности акустических измерителей уровня при эксплуатации в реальных условиях. Дипломная работа. М.: МФТИ, 1995, 25с.

67. Краснобородько В.В., Клюев М.С. и др. Разработка и исследование высокоразрешающей многоканальной системы акустического мониторинга уровня жидкости. Отчет по НИР. М.: ИОРАН, 1998, 74с.121