Лекция 9 прод

CTD-зонды

Уже давно в практику промыслово-океанологических исследований и поисковых работ вошли и стали практически незаме­нимыми CTD-зонды, позволяющие получать в процессе зондирования профили вертикального распределения температуры и электропроводности (солености). Как правило, датчики всех трех параметров вместе с устройствами сбора информации размещены в едином прочном корпусе погружаемого устройства (ПУ) зонда. Иногда в комплектацию зондов входят датчики других парамет­ров (например, гидрохимических), а также другие измерители и дополнительное оборудование (датчик касания дна, альтиметр и т.д.). Если они не размещены в корпусе зонда, а являются внеш­ними по отношению к нему, то это уже рассматривается как зондирующий комплекс. Однако от этого правила имеется ряд отступлений. Некоторые производители для расширения области применения своих изделий выпускают CTD-зонды в виде мо­дульной конструкции. Поэтому далее мы будем именовать CTD зондами все устройства, которые измеряют электропроводность, температуру и давление, независимо от их механической конст­рукции или наличия дополнительных устройств, в стандартном варианте поставки включенных в общий корпус.

По эксплуатационным качествам все CTD-зонды можно раз­делить на две группы: зонды, работающие на кабель-тросе, и ав­тономные зонды, для использования которых достаточно обыч­ного троса. В то же время, в обеих группах могут быть зонды различных метрологических качеств и, соответственно, имеющих разный уровень сложности. Среди производителей CTD-зондов имеется несколько крупных компаний-лидеров, разрабатываю­щих, и выпускающих CTD-зонды, которые отличаются наиболее высокими метрологическими характеристиками. Кроме этих зон­дов, в производственную программу таких компаний входят и другие разновидности зондов, как правило, меньшей сложности. Из этих компаний наиболее известны фирмы "Sea-Bird Electronics, Inc." (SВЕ), “Falmouth Scientific, Inс." (FSI) и "IDRONAUT S.г.I." (IDRONAUT).

Официально, старейшей фирмой, производящей наиболее точные CTD-зонды, является компания SВЕ. Однако фирма FSI, выпускающая не менее качественные зонды, в сущности, про­должает работать в том же направлении и с теми же сотрудника­ми, что и компания, созданная ранее Н. Брауном, и поэтому ее также можно причислить к одной из старейших. Обе компании сформировались где-то на рубеже 60-х и 70-х годов. Итальянская фирма IDRONAUT основана только в 1982 году, однако ее CTD-зонды своими качествами уже завоевали мировую известность. Недавно па рыке CTD-зондов появилась канадская фирма "Richard Вrаnсker Reaserch Ltd” (RBR), которая представила аппаратуру, которая может составить конкуренцию всемирно известным моделям CTD—зондов.

Кроме крупных компаний, специализирующихся именно на разработке и производстве CTD-зондов, ряд фирм в числе друго­го океанографического оборудования тоже выпускает CTD-зонды, но меньшей точности. Как правило, они отличаются более низкими ценами, и среди них имеются модели, которые могут оказаться полезными при ведении исследований на попутных су­дах. Некоторые фирмы выпускают CTD-зонды, совмещенные с другими измерителями (течений, флуоресценции и т.п.), причем такие комбинации приборов обычно предназначены для специ­альных областей применения, например, для буйковых или дон­ных постановок, а также для использования в составе буксируе­мой аппаратуры.

Классификация зондов по их техническим и экс­плуатационным качествам

Кабельные зонды используют кабель-трос для своего элек­тропитания и передачи данных о параметрах среды и другой ин­формации па бортовое устройство (БУ). В ранних моделях CTD зондов эти данные в основном передавались в аналоговом виде (изменение напряжения, тока или частоты) по многожильному кабель-тросу. Сейчас практически во всех CTD-зондах данные измерителей преобразуются в последовательный код и далее в цифровом виде передаются на БУ или сразу на компьютер. В ка­честве линии связи обычно применяют одножильный кабель-трос. Если на тросе закреплено несколько разных, устройств, то в этом случае может использоваться многожильный кабель-трос.

Главным достоинством кабельных зондов является возмож­ность наблюдения за изменением измеряемых величин в реаль­ном масштабе времени. В особенности это важно для совместной работы зонда с кассетой батометров, где требуется выбор горизонтов отбора проб непосредственно во время зондирования. Другой важной областью, где это качество также необходимо, является использование зонда на буксируемом носителе или в системе прокачки забортной воды для оперативной оценки ха­рактеристик водных масс, например для поиска фронтальных зон.

Автономные зонды получают электропитание от внутренних аккумуляторов или батарей, а результаты измерений регистрируются в запоминающем устройстве для последующего считыва­ния на борту судна. В связи с развитием цифровой техники и соз­данием недорогих твердотельных устройств памяти большого объема, этот тип зондов в последнее время получил широкое рас­пространение. Однако можно отметить, что в автономном режи­ме могут работать и многие модификации кабельных зондов, имеющих встроенные или подсоединяемые к ним внутреннюю память и собственный источник питания. Некоторые фирмы спе­циально выпускают так называемые логгеры - отдель­ные блоки в прочном корпусе, которые могут подключаться к кабельным зондам и позволяют их использовать в качестве авто­номных.

Обычные тросовые лебедки значительно дешевле кабель-тросовых как по своей стоимости, так и в эксплуатации. В связи с этим способность зондирования на обычном тросе делает авто­номные зонды очень привлекательными для использования на судах, не предназначенных для научных исследований. Выгод­ным моментом является то, что в морских условиях автономные зонды практически не нуждаются в специальном обслуживании, поэтому некоторые фирмы изготавливают CTD-зонды, допус­кающие их эксплуатацию персоналом с минимальной квалифи­кацией. Особенно популярными такие зонды стали на судах, ис­пользуемых для попутных исследований, позволяя любому члену экипажа или прикомандированному научному сотруднику работать с зондом в одиночку и практически с "любой веревки".

Еще одна область, где автономные зонды являются незамени­мым инструментом - это их установка на долговременные стан­ции - донные, дрейфующие и т.п. Однако, в отличие от режима зондирования, где возможно применение и кабельных зондов в автономном варианте, CTD-зонды, используемые для долговре­менных постановок, должны обладать несколько иными качествами. Здесь наибольшее значение приобретает экономичность электропитания. С одной стороны, выполнение этой задачи требует специальной элементной базы, а также соответствующего подхода в выборе датчиков и схемных решений. С другой сторо­ны, для долгопериодных измерений нет необходимости в частом опросе датчиков как при режиме зондирования, наоборот - в зависимости от выполнения поставленных задач, период опроса может быть в пределах от минут до часов.

В последнее время сформировалась принципиально новая концепция построения CTD-зонда. За основу берется автоном­ный режим работы, при этом все электронные компоненты имеют минимальное энергопотребление. Практически все современные модели зондов работают под управлением микропроцессора с внутренним таймером, которые являются ядром функциональной схемы. Периферийные узлы зонда включают интерфейсы датчи­ков, платы памяти, устройство связи с внешним компьютером и блок питания. Использование микропроцессора позволяет про­граммировать работу зонда через внешний компьютер в зависи­мости от направления исследований. В частности, можно выбрать период опроса датчиков в пределах от долей секунд (режим зон­дирования) до нескольких часов, когда в промежутках включает­ся режим энергосбережения и прибор как бы засыпает, работая с минимальным потреблением от блока питания. Для применения такого зонда в режиме зондирования достаточно установить ин­терфейсную плату связи с БУ через кабель-трос (например, в от­секе для размещения автономного питания) и соответствующим образом перепрограммировать микропроцессор. Некоторые зон­ды имеет дополнительную энергонезависимую память для хране­ния калибровочных коэффициентов на используемые датчики и ряда программ, реализующих различные режимы работы зонда.

Анализ характеристик современных зондов и измеряемых ими параметров позволяет классифицировать зонды по четырем уровням точности. Одновременно эти уровни имеют соответст­вующие степени конструктивной сложности базового прибора и вариантов комплектации, а также предполагают разные ценовые пределы как для собственно аппаратуры, так и для стоимости ее эксплуатации. Предлагается следующая классификация:

1-й класс - это высший уровень, который предполагает изме­рения любого масштаба, вплоть до работ по международным программам. Де-факто, критерием высокого метрологического качества СТР-зондов является их соответствие выполнению за­дач программы WОСЕ. Как правило, такие зонды являются осно­вой судового зондирующего комплекса, который устанавливается в качестве штатного оборудования на всех крупных научно-исследовательских судах. В связи с тем, что одной из важнейших составляющих такого комплекса является батометрическая кассета, CTD-зонд должен быть обязательно кабельным и передавать информацию в масштабе реального времени. CTD-зонды 1-го класса имеют наивысшую степень сложности и, соответственно, отличаются высокой ценой. Для их эксплуатации на зарубежных судах существуют специальные группы технических специали­стов, а их калибровка проводится наиболее часто, причем только в сертифицированных береговых центрах.

2-й класс — это средний уровень, не требующий наивысших метрологических характеристик от CTD-зондов, но он должен позволять проводить полигонные съемки с использованием данных при изучении мезомасштабных и, частично, мелкомасштаб­ных процессов. Как правило, зонды этого класса значительно проще и дешевле зондов высшего уровня. Однако иногда, при тщательной калибровке, эти зонды допускается к использованию на научных судах в качестве основных, или могут быть их дублерами. Отдельные модели CTD-зондов 2-го класса могут комплек­товаться дополнительными датчиками и даже батометрическими кассетами. Для работы с этим оборудованием обычно не требует­ся многочисленный персонал и, в зависимости от комплектации, достаточно 1-2 человек. Большинство зондов 2-го класса могут работать как в кабельном варианте, так и в автономном. В связи с этим обстоятельством, такие зонды часто используются на судах, не оборудованных кабель-тросовыми лебедками, но привлекае­мых для ведения исследований среднего уровня.

3-й класс, или минимальный уровень прикладных задач (на­пример, в промысловых исследованиях) где для CTD-зондов требу­ется поиск промысловых скоплений по изотермам, а также обеспечения работы гидроакустических средств (оценка реальной скорости звука). CTD-зонды этого класса также используются для оценки сезонных, синоптических и частично мсзомасштабных процессов. Обычно эти зонды являются законченным изде­лием и не комплектуются дополнительными датчиками или дру­гим оборудованием. Зонды имеют относительно малую стои­мость и могут эксплуатироваться персоналом без специальной квалификации. Как правило, такие зонды являются автономными и могут использоваться на необорудованных судах.

4-й класс, или ненормированный уровень, включает зонды, предназначенные для вспомогательных задач, связанных с оце­ночными измерениями. Как правило, эти зонды имеют в наборе еще несколько датчиков и представляют собой легкое погружае­мое устройство, связанное с цифропоказывающим БУ много­жильным кабелем длиной 30 - 200 м, намотанным на ручную вьюшку. Иногда такие зонды имеют варианты с памятью и авто­номным питанием. Эти приборы полностью автономны, могут использоваться с легких плавсредств и являются своеобразными тестерами качества воды.

В таблице приводятся требования к основным характеристи­кам зондов в соответствии с их классом и масштабом исследуе­мых процессов. Эти требования включают только оценки воз­можных систематических и случайных погрешностей CTD измерения основных параметров морской воды. Они не распро­страняются на возможные пределы динамических погрешностей измерения CTD-параметров, которые могут превосходить на один - два порядка значения, указанные в таблице.

Таблица - Требования к основным характеристикам зондов

Погрешность измерений			Макс, глубина погр., м
Температура, °С	Электропроводность, мСм-см"	Давление, дцб
0,002	Требования 0,001-0,003	WOCE 3	6000
0,002-0,005	1-й класс 0,002-0,005	(высший уровень) 0,42-1 ,5	3000
0,005-0,01	2-й класс 0,005-0,01	(средний уровень) 1-2	2000
0,01-0,05	3-й класс 0,01-0,04	(минимальный 1-3	уровень) 1000
0,1-0,2	4-й класс 0,5-1,0% от ПШ	(ненормированный 3	уровень) 30-200

Следует отметить, что приведенные требования не являются официальным стандартом, а сложились на данный период из практики экспедиционных исследований и могут со временем измениться. Иногда при очередной модернизации зонда, он на­чинает соответствовать по своим параметрам требованиям уже более высокого класса. Все основные характеристики современ­ных CTD-зондов наиболее известных фирм-производителей представлены в табл. 2. Оценки погрешностей CTD-параметров указаны без учета возможных динамических погрешностей.

Особенности зондов различных производителей

CTD-зонды фирмы "Sea-Вird Е1есtrопics, 1пс.". Фирма SВЕ, несмотря па наличие исследовательского отдела, является в большей степени промышленно-торговой компанией, и ее дея­тельность полностью соответствует всем нормам, присущим по­добной организации. Фирма довольно консервативна в своей на­учно-технической политике. Образцы продукции меняются ред­ко, в основном только тогда, когда намечается спад уровня продаж. При этом продукция чаще проходит модернизацию, что позволяет использовать ее возможный потенциал до последней степени. В то же время, компанией проводится очень активная рек­ламная политика наступательного характера. Свой имидж фирма строит, рекламируя собственную продукцию как "стандарт океа­нологического оборудования".

Отличительными чертами и характерными "фирменными" особенностями разработанной SВЕ аппаратуры являются:

- преимущественно модульная конструкция погружаемых уст­ройств;

- ячейка датчика электропроводности кондуктивного типа;

- помповая система прокачки;

-частотные аналого-цифровые преобразователи.

В качестве датчика электропроводности все зонды фирмы SВЕ используют одну и ту же ячейку кондуктивного типа, разрабо­танную в 1973 г. Ее высокие метрологические качества обеспечиваются благодаря применению системы при­нудительной прокачки воды с помощью специальной помпы. Кстати, здесь стоит развенчать одну красивую легенду фирмы, согласно которой помповая система (вроде как фирменное "ноу-хау", которого ни у кого больше нет) специально используется для достижения равномерного потока внутри датчика и повыше­ния метрологических качеств. Действительно, для некоторых мембранных датчиков, напри­мер, кислородного, это довольно действенный прием. Однако в нашем случае все не так. Здесь сознательно перепутаны причина и следствие. В старых публикациях сам конструктор кондуктив-ного датчика А. Педерсон пишет, что для датчика он использовал готовую ячейку кондуктивного типа от проточного лабораторно­го кондуктомера. Причем первоначально для работы датчика SВЕ4 в водной толще использовать помпу не предполагалось. Позже при экспериментах по использованию датчиков на букси­руемых системах было выявлено, что скорость протока воды в ячейке составляла примерно только одну четверть от скорости движения самого датчика при его перемещении в бассейне со скоростью более 1 м-с ^-1. В связи с этим, для нормальной работы датчика в составе буксируемой системы пришлось использовать специальную помпу. Дело в том, что, по законам физики, при зондировании со скоростью 1 м-с"¹, трубка длиной 200 мм и диа­метром 4 мм будет играть роль капилляра, а вода через нее сама не будет протекать с такой скоростью. Никому из "изобретате­лей" датчика первоначально это в голову не пришло. Ну а потом все забыли про это, и родилась красивая легенда, которую пред­ставители фирмы рассказывают нашим молодым специалистам. В статье уже других авторов описываются эксперименты, связан­ные с исследованием временных характеристик ячейки при ее движении с разными скоростями в бассейне, а также варианты математических моделей и формулы для минимизации погреш­ностей измерений. В частности, показано, что при использовании помпы и скорости 1 м-с"¹ во входной трубке диаметром 7 мм в самой ячейке с внутренним диаметром 4 мм скорость увеличится до 3 м-с"¹, при числе Рейнольдса равном 12000. Появляющаяся при этом турбулентность создает дополнительные и трудно учи­тываемые погрешности при измерениях электропроводности.

Наиболее точным зондом до недавнего времени считался CTD-зонд SВЕ911+, который создан еще в 70-80-х годах. Его наименование составлено из названий собственно зонда (погруж­ного устройства) SВЕ9 и бортового устройства SВЕ11.

Зонд SВЕ911 + представляет собой модульную конструкцию и состоит из центрального большого модуля 8ВЕ9 со встроенным датчиком давления и нескольких контейнеров меньшего размера, связанных с основным блоком резиновыми соединительными кабелями (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид и устройство зондов SВЕ911+ (а,б), SВЕ19+ (в), SВЕ25 (г): 1 - основной блок SВЕ9; 2 - помпа SВЕ5Т; 3 - модуль температуры SВЕЗ; 4 - модуль электропро­водности SВЕ4; 5 - вход системы прокачки; 6 - герморазъемы к датчикам; 7 - выход системы прокачки; 8 - основной и дополни­тельные герморазъемы; 9 - основной блок SВЕ25; 10 - модуль давления SВЕ29

СТО-зонды фирмы "Falmouth Scientific, 1пс.". Характер фирмы FSI можно описать как научно-производственное объединение. Здесь, наверное, играет большую роль близость Вудсхольского океанографического института, работы по его заказам, участие в совместных экспедициях и широкие контакты между сотрудниками. В отличие от SВЕ, сотрудники FSI имеют очень большое число научных публикаций. К сожалению, занятие нау­кой и пренебрежение рекламой влияет на бизнес, особенно если во главе фирмы стоит ученый. Свидетельство этому - вся исто­рия компании.

Н. Браун изобретает свой датчик электропроводности, создает зонд Магк-Ш и основывает для их реализации компанию "Neil Brown Instruments Systems, Inс." (NBIS). Своей надежностью и простотой в эксплуатации зонд завоевал широкую популярность и стал своеобразным стандартом "де-факто" при проведении мeждународных океанологических исследований. Однако, в конце концов, Н. Брауну надоело руководить, он продал свою фирму крупной транснациональной компании ЕG&G, которая начала выпускать зонды в массовом порядке, и полностью перешел на научную работу.

В течение примерно пяти лет компания ЕG&G успешно ведет продажи зондов Магк-IIIВ, но неодобрительно относится к идеям сотрудников по созданию новой аппаратуры. В результате, ком­пания ЕG&G потеряла интерес к своему отделению по выпуску CTD-зондов и передала технологию производства зонда Магк-IIIВ фирме "Gеnегаl Осеаnics" (GО) (США), хорошо известной по пластиковым батометрам и кассетам (ими комплектовались зон­дирующие комплексы на основе зонда Магк-IIIВ).

Часть сотрудников ЕG&G, занимавшихся работой над зондом, также перешла в эту фирму, а другая часть разработчиков и 1989г. организовала свою собственную фирму “Falmouth Scientific, 1пс”. Президентом фирмы FSI был вы­бран талантливый инженер А. Фужер, а главным консультантом стал Н. Браун, одновременно продолжавший работу в Вудсхольском институте.

В новой фирме решили начать свою деятельность, как гово­рится, "с чистого листа". Дело в том, что еще в 60-х годах экспе­рименты по сравнению двух типов датчиков убедили Н. Брауна и перспективности индуктивного метода измерений, и только несо­вершенство технологий того времени заставила его разработать для зонда Магк-III кондуктивный датчик. К 1992 г, используя новейшие технологии, Н. Браун совместно с фирмой FSI разработал целый ряд новых индуктивных датчиков и измерителей, в том числе известные зонды IСТD и МСTDЗ, обладающие высокими метрологическими и эксплуатационными качествами.

Четвертый этап. А. Фужер, которому через некоторое время тоже надоедает администрирование, уходит со своего поста. Фирма FSI добровольно вошла в состав международной компа­нии, оставив за собой свое имя и А. Фужера в качестве техниче­ского директора, а Н, Брауна в качестве консультанта. При этом, как и во времена ЕG&G, уровень продаж зондов FSI резко возрос.

В результате, за последние 30 лет, группа исследователей во главе с Н. Брауном, а затем и с А. Фужером разработала ряд CTD-зондов, получивших большое распространение в океаноло­гической, в том числе и отечественной, практике.

CTD-зонд Маrk-III первоначально был разработан для иссле­дования вертикальной плотностной структуры океана. Прототи­пом этого прибора послужил микропрофилограф Н. Брауна. В зонде в качестве датчика температуры используется платиновый термометр типа 171-В1 вместе с термистором ОС325М2. С помощью термистора осуществляется корректировка частотной характеристики платинового датчика в области высоких частот, стабильность же всего изме­рителя определяется стабильностью платинового датчика. Для измерения электропроводности используется миниатюрная четырехэлектродная ячейка N618. Глубина измеряется тензометрическим преобразователем давления типа 210 Рапе.

Заканчивая тему зонда Магк-III, следует отметить, что после прекращения его выпуска в компании ЕG&G, право на его производство приобрела фирма GО. На основе новой элементной базы серьезной модернизации подверглась схемотехника (конструкция корпуса и датчиков практически не затрагивалась), в результате чего был создан последний вариант зонда - Магс-IIIС, обладаю­щий несколько более высокими характеристиками, чем преды­дущий вариант.

CTD-зонд типа IСТD сохранил все лучшие качества зонда Магк-III и является основным высокоточным зондом среди про­дукции фирмы FSI (рис. З).

Рис. 3. Внешний вид CTD-зондов ICTD (а), МСТD-3 (б) и NХIC (в)

CTD-зонды фирмы "IDRONAUT S.r.l.” В настоящее время фирма IDRONAUT - ведущий европейский производитель зон­дов собственной разработки, широкий спектр которых выпуска­ется под названием "Осеаn Seven" (ОS). Во многом этот успех вызван тем, что зонды имеют относительно низкие цены при вы­соком качестве измерений. В значительной степени такой резуль­тат стал возможен благодаря удачной конструкции 7-электродного кондуктивного датчика электропроводности с про­точным отверстием большого диаметра и без внешнего поля, а также предложению дополнительного оснащения CTD-зондов рядом других гидрохимических датчиков, тоже соб­ственной разработки. Специально для датчика электропроводно­сти и платинового температурного датчика, используемого в зон­дах, фирма выпускает компактное устройство ", позволяющее калибровать эту пару датчиков в полевых условиях, используя всего одну стандартную ампулу нормальной воды.

Кроме того, в качестве дополнительных устройств, все зонды могут комплектоваться блоком внешнего питания, позволяющим им непрерывно работать до 100 ч, а также специальным проточ­ным боксом для использования зондов на борту судна в режиме прокачки забортной воды. Бокс имеет посадочные места для ус­тановки ряда дополнительных гидрохимических датчиков. Пред­лагается также компактная кабель-тросовая лебедка.

В производственной программе фирмы IDRONAUT имеется пять модификаций зондов 1-го класса, позволяющих работать с батометрическими кассетами. Все эти зонды могут измерять и передавать требуемые параметры в реальном масштабе времени на бортовое устройство с частотой выборки до 20 Гц, а также осуществлять автоматический сбор данных в зависимости от вы­бранных интервалов времени (от 0,1 с до 24 ч) или от прираще­ния глубины (от 0,01 до 100 дцб). Смена режимов производится внешним магнитным переключателем, причем в двух последних режимах электронные схемы зонда переходят в состояние энер­госбережения в промежутках между измерениями. Вся система измерения, хранения и передачи данных управляется 32-битным микроконтроллером с флэш-памятью объемом до 512 кбайт для хранения вариантов конфигурации зонда, его внутренних про­грамм и калибровочных коэффициентов. Для хранения данных зонды имеют отдельную энергонезависимую память объемом I Мбайт, позволяющую записать до 56 000 блоков, каждый из ко­торых содержит дату, время и данные выбранных датчиков. CTD-датчики имеют постоянную времени порядка 50 мс, а фир­менное программное обеспечение оптимизировано для скорости зондирования в 1 м/с. Зонды также могут собирать данные от датчиков и измерителей других производителей, распределяя эти данные по встроенным дополнительным аналоговым и цифровым каналам менее чем за 50 мс.