книги из ГПНТБ / Океанография и морская метеорология учебник

Знак редукционной поправки k одинаков со знаком разности (Г—'t).

Пример. Ѵ0 = 180°; Т = 2,00°; t = 16,0°. Найти h x (Ѵ/0 + 7)==182°; (Г — 0 = 14,0°; é = — 0,41°; л; =1,59°.

Необходимые для расчетов величины ѴѴ, Чп и ин­ струментальные поправки основного и вспомогательного термометров выбираются из свидетельства, которым снабжается каждый прибор. При использовании других марок стекла с коэффициентом Чп Ф 1/6300 учитывается дополнительная поправка Ak, выбираемая из таблицы 3 того же пособия, рассчитанная по формуле

где Ап — разность знаменателей относительных объем­ ных коэффициентов совместного расширения стекла и ртути для йенского (6300) и данного стекла.

Знак поправки Ak обратен знаку редукционной по­ правки k.

Пример.

Недостатки, присущие глубоководным термометрам, привели к созданию (порой в ущерб точности) новых приборов для измерения температуры Морской воды, действующих на иных принципах.

В д е ф о р м а ц и о н н ы х т е р м о м е т р а х мерой температуры являются величины упругих деформаций приемника под влиянием тепла. Этот способ измерения основан на теории упругости, согласно которой величина упругой деформации твердого тела прямо пропорцио­ нальна величине действующего усилия. В термобатигра­

фе (греч. thermos — тепло, bathys — глубина, grapho —

пишу)— автоматическом приборе, регистрирующем рас­ пределение температуры по глубине, чувствительным элементом температуры является деформационный тер­

70

мометр, представляющий собой тонкую капиллярную трубку, навитую на хвостовую часть термоблока и со­ прикасающуюся с морской водой. Трубка соединена с геликоидальной манометрической пружиной, один конец которой закреплен, а другой свободен и заканчивается стрелкой. Трубка и внутренняя полость пружины запол­ нены толуолом — органическим веществом с большим

температурным^ коэффициентом расширения. При изме­ нении температуры объем толуола увеличивается или уменьшается, манометрическая пружина получает сме­ щение, пропорциональное величине упругой деформации и фиксируемое на термобатиграмме, которая представ­ ляет собой стеклянную пластинку со специальным по­ крытием. Точность измерения температуры термобатиграфом ниже, чем глубоководными термометрами (сред­ няя квадратическая ошибка т = ± 0 ,1 ° ). Как у всех де­ формационных термометров, показания прибора относи­ тельные, для получения абсолютных значений требуется тарировка прибора по показаниям жидкостных термо­ метров. Для отсчитывания измеренных температур не­ обходимо специальное отсчетное устройство.

Тем не менее термобатиграф нашел самое широкое распространение в качестве стандартного экспедицион­ ного и корабельного прибора, так как он:

—портативен, прост и надежен в эксплуатации;

—фиксирует кривую вертикального распределения температуры, позволяющую по термобатиграмме нагляд­

дом преимуществ перед термометрами других типов, в частности, меньшей инерционностью и широкими воз­ можностями для автоматизации записи результатов из­ мерений.

Чтобы измерить неэлектрическую величину — темпе­ ратуру электрическими методами, ее необходимо преж­ де всего преобразовать в электрическую. Поэтому основ­ ной частью всякого электрического прибора, предназна­ ченного для измерения температуры, является чувстви­

\

В настоящее время для измерения температуры ис­ пользуются следующие чувствительные элементы и дат­ чики: проволочные и полупроводниковые термометры сопротивления и термопары, а также не получившие еще широкого распространения ферритовые и кварцевые тер­ мометры.

Электрические термометры сопротивления основаны на свойстве некоторых материалов менять электриче­ ское сопротивление с изменением температуры. Зависи­ мость сопротивления, например платины, от темпера­ туры в диапазоне от 0 до 660° С подчиняется следующему выражению:

лов — меди, никеля, вольфрама или чаще из платины, обладают большой линейностью и стабильностью. Од­ нако вследствие невысокого температурного коэффи­ циента сопротивления этих металлов (0,3-^-0,4% на 1°) требуется применение измерительных схем высокой чув­ ствительности. Например, для измерения температуры со средней квадратической ошибкой ±0,02° необходимо измерять величину сопротивления с относительной сред­ ней квадратической ошибкой ±0,008%, что на практике не всегда осуществимо, так как пониженная чувстви­ тельность измерительных схем не позволяет реализовать возможные точности измерений температуры.

Проволочные термометры сопротивления использу­ ются для измерения температуры морской воды поверх­ ностного слоя в судовой дистанционной гидрометеоро­ логической станции ГМ-6 и в аппаратуре УТСГ-1, предназначенной для дистанционного измерения и ре­ гистрации вертикального распределения температуры и солености на глубинах 5—300 м с судна, лежащего в медленном дрейфе или стоящего на якоре.

Полупроводниковые электрические термометры — термисторы изготовляются из полупроводящих материа­

72

коэффициент на порядок выше температурного коэффи­ циента проволочных термометров, что обеспечивает бо­ лее высокую чувствительность измерительных схем, однако им присущи нелинейность температурной харак­ теристики, нестабильность во времени и плохая взаимо­ заменяемость.

Рис. 11. Схема электрического термометра сопротивления

В качестве измерительных схем для включения тер­ мочувствительных элементов проволочного и полупро­ водникового типа обычно применяются уравновешенные и неуравновешенные мосты различной конструкции с пи­ танием постоянным или переменным током. Одно из плеч моста — термометр сопротивления Rt (рис. 11), остальные плечи — постоянные или регулируемые со­ противления Ri, R2 и Rs, они изготовляются из метал­ лов, обладающих значительно меньшим по сравнению с термометром температурным коэффициентом сопротив­ ления, например из манганина или константана. В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую — измерительный прибор для регистрации соот­

73

ветствующего выходного параметра моста (напряжения, сопротивления или проводимости). Мост регулируется таким образом, чтобы при определенной температуре t в измерительной диагонали тока не было. При измене­ нии температуры на величину At номинальное электри­ ческое сопротивление термометра Rt изменится на вели­ чину AR, мост разбалансируется, и в измерительной диагонали появится ток разбаланса, э. д. с. которого пропорциональна этому изменению. Напряжение разба­ ланса AU оказывается равным

боры: электронные потенциометры типа ЭПП-09 или специальные измерительные мосты типа МС-1 с записью на ленточной диаграмме (аппаратура УТСГ-1). Шкалы таких приборов обычно отградуированы в градусах Цельсия (°С), но они также могут работать и с другими датчиками, являющимися источниками э. д. с. или на­ пряжения. В этом случае шкалы приборов градуиру­ ются в абсолютных милливольтах.

Гальванометры стрелочного типа используются в ди­ станционной гидрометеорологической станции ГМ-6.

В термопарах используется эффект Зеебека, заклю­ чающийся в появлении э. д. с. в замкнутой цепи, состав­ ленной из двух разнородных металлических проводни­ ков, нагретых до различных температур. При этом про­

74

исходит превращение тепловой энергии в электриче­ скую; в точках соприкосновения металлов («спаях») возникает контактная разность потенциалов, которая обусловливает появление э. д. с. и тока, величина кото­ рых пропорциональна разности температур слоев

(рис. 12).

При хорошей линейной зависимости э. д. с. термо­ пары от температуры термометры этого типа обладают, однако, небольшой чувствительностью (10—50 мкВ/°С). Поэтому, например, для измерения температуры с по­ грешностью ±0,02° необходимо обеспечить измерение напряжения термопары с точностью не ниже ±0,2— 10 мкВ. Применение термопар при гидрологических ра­ ботах ограничено, используются они главным образом в актинометрических приборах.

§ 9. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПОГРУЖЕНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

В § 6 уже указывалось на необходимость не только с высокой точностью, определяемой жесткими требова­ ниями инструкций и руководств, выполнять измерения основных параметров морской воды, но и с соответ­ ствующей точностью координировать их в пространстве. Несоблюдение этих требований приводит к снижению научной объективности результатов исследований и раз­ рабатываемых на их основе военно-прикладных реко­

при условии, что трос уходит в воду отвесно и судно все время находится над прибором. Однако в общем случае под действием ветра и волны судно сносит, и трос от­ клоняется от вертикали. Возникает необходимость да­ вать тросу «притравку», чтобы вывести прибор на задан­ ную глубину.

позволяет определить длину вытравленного троса L, не­ обходимую для вывода прибора на глубину Z при угле отклонения троса от вертикали, равном а0. Так как дли-

75

на троса L измеряется с помощью блок-счетчиков, то каждый из них должен быть тщательно проверен и для каждого из них определен поправочный коэффициент k:

рез блок-счетчик, измеренная непосредственно с помощью рулетки.

При опускании приборов на глубину обычно тре­ буется определить, каков должен быть отсчет т по блок-

К сожалению, задача вывода приборов на заданные горизонты таким путем решается весьма приближенно, так как в каждом конкретном случае влияние сочетания факторов, вызывающих отклонение троса от вертикали (характер сноса судна, неоднородность течения с глуби­ ной, длина и сечение троса, тип, масса и расположение приборов на тросе и т. д.), не поддается учету — трос может принимать в воде различные формы довольно сложных кривых. Возникает необходимость независимо­ го измерения глубины погружения с помощью специаль­ ных приборов — глубомеров.

Почти все существующие типы глубомеров являются гидростатическими, так как принцип их действия осно­ ван на определении высоты столба воды определенной плотности по измеренному у его основания гидростати­ ческому давлению.

Г и д р о с т а т и ч е с к о е д а в л е н и е — важнейший параметр физического состояния морской воды. Оно из­ меняется в Мировом океане в широких пределах и у дна Марианской впадины составляет более 1100кгс/см2.

Какова должна быть высота Z столба воды с основа­ нием, равным единице площади, и средней плотностью

7 6

рт , чтобы он оказывал на свое нижнее основание давле­

давление возрастает на 1 кгс/см2 с увеличением глуби­

Приняв среднюю плотность морской воды рт =1,03 г/см3 и учитывая, что 1 кгс/см2 = 9,81 дбар, получим, что вы­ сота столба морской воды, оказывающего на свое ниж­

крайних значениях гидростатического давления расхож­ дения в значениях плотности морской воды, вычислен­ ной на глубине, выраженной в линейных метрах и деци­ барах, не превышают 0,00005. Поэтому при расчетах плотности можно принять, что на этих глубинах глуби­ на, выраженная в метрах, численно равна гидростатиче­ скому давлению на этой глубине, выраженному в деци­ барах.

Однако в ряде случаев, например при определении плотности морской воды на больших глубинах, при рас­ четах скорости звука, устойчивости и т. п., такое допу­ щение (без учета влияния сжимаемости морской воды) оказывается неправомерным, так как ошибка, возни­ кающая за счет отклонения ускорения свободного паде­ ния и плотности морской воды от принятых средних зна­ чений, может достигать 4%, т. е. pz = Z±A% Z. В этом случае

(3.16)

о

77

Основное различие в существующих конструкциях гидростатических глубомеров заключается в устройстве чувствительного элемента — датчика давления. По это­ му признаку принято выделять воздушные гидростати­ ческие глубомеры, термометры-глубомеры и глубомеры манометрического типа.

В в о з д у ш н ы х г и д р о с т а т и ч е с к и х г л у б о ­ м е р а х давление вышележащего столба воды опре­ деляют по изменению объема заключенного в глубомере воздуха. По закону Бойля — Мариотта объем, заполняе­ мый одной и той же массой газа, при неизменной темпе­ ратуре обратно пропорционален давлению, под которым он находится:

вается лишь на глубинах до 500 м. На больших глуби­

ров-глубомеров (ТГМ), аналогично устройству глубоко­ водных (опрокидывающихся) термометров, но в отли­ чие от них толстостенная стеклянная оболочка термо­ глубомеров негерметична и не изолирует основной тер­ мометр ТГМ от воздействия гидростатического давле­ ния. Поэтому в результате обжатия стекла термометри­ ческая жидкость основного термометра ТГМ кроме тем­ пературы воспринимает еще и давление вышележащего

7 8

X

столба воды, что вызывает избыточное удлинение стол­ бика ртути. Если в паре с ТГМ опустить обычный глу­ боководный термометр, то можно вычислить эту величи­ ну избыточного удлинения столбика ртути АТ:

ртути (в градусах шкалы) при изменении внешнего дав­ ления на 1 кгс/см2, или коэффициент давления ТГМ, определяется опытным путем в компрессорных установ­ ках для различных значений давления в пределах от 50 до 1100 кгс/см2 по формуле

где АТі — изменение показания ТГМ при изменении дав­ ления в компрессорной установке на Арі, кгс/см2.

Для различных приборов величина коэффициента давления ß лежит в пределах 0,065—0,150 °С/(кгс* см-2).

Зная величину ß и определив по формуле (3.19) АТ, можно определить величину гидростатического давления на глубине погружения ТГМ:

или, перейдя к глубине,

Пример.

12,04°; Tw = 2,71°; Pm—1,02800; ß= 0,1000. Найти Z.

AT = Т — Tw= 12,04 — 2,71 =9,33°.

10-9,33

Z = 0,1000-1,02800 = 908 M.

79