ПРИЛОЖЕНИЕ V.
Внесенный Практический опыт различных технологий мареографов.
Указатель уровня и труба
Норвежские сети мареографов, выполняемых норвежской гидрографической службы (NHS), записи уровня моря возвышенностей с поплавком датчики на 23 мест.
Типичная норвежская труба состоит из полиэтиленовых труб с коническим входом в нижней части.
1)Диаметр трубы 30 или 40 см, на входе (конуса) из меди для уменьшения морского обрастания. Мы видели, что электрохимической коррозия может быть проблемой. Это может привести к появлению отверстия в
конусе, и нежелательные колебания волн не уменьшается, они будут. Внутри конуса находится съемное отверстие из бронзы и отверстия можно настроить с одной или несколькими сосками. Некоторые из приливных станций в Норвегии подвергаются воздействию льда и низких температурах, и 220 В переменного тока кабеля нагрева установлены внутри этих скважин.
Каждый измеритель уровня моря имеет, по крайней мере, один датчик уровня, используемый для контроля качества. Он установлен внутри трубы примерно на среднем уровне моря (MSL).Сигнализатор уровня является крошечным поплавком, который переключается, когда уровень моря проходит уровень, на котором установлен выключатель. Компьютер регистрирует время и уровнь моря, когда переключатель включается или выключается, и эти данные могут быть сравниваться с уровнем, на котором установлен выключатель. Датчик уровня был очень важен для обнаружения ряда проблем, таких как дрейф в наблюдениях.
Датчик положения с SDI-12 выходом устанавливается над трубкой, установлен на бетонный блок. Преобразователь имеет звездочки (колеса) на вале и запрограммирован, чтобы дать выход с разрешением 0,1 см. Датчик имеет встроенный резервный аккумулятор, который помнит угловое положение, в случае сбоя питания. Цепочка с поплавком и противовесом пробегает цепное колесо, и уровень моря определяется угловым положение цепного колеса. Важно, чтобы цепное колесо и цепи подходили друг другу. Если нет, то может быть очень небольшое отклоняющее движение между звездочкой и цепью, и это, в свою очередь определяет себя как очень медленный дрейф в наблюдений за уровнем моря. NHS использует американский производитель цепь и звездочки. Ведущие марки цепей и звезд позволяют легко управлять системой.
Регистратор данных компании Sütron 8210 он собирает и хранит уровень моря, атмосферного давления и переключателя уровня. Память компании Sütron 8210 имеет резервную батарею и может содержать данные нескольких месяцев. Обычно данные записываются два раза в день от регистратора данных, иногда чаще. Регистратор данных имеет последовательный порт, который используется для связи, либо через ISDN-сеть или GPRS-маршрутизатор. Сейчас мы находимся в процессе преобразования передачи данных с ISDN-сеть на GPRS-маршрутизатор для всех приливных станций. Эта работа будет завершена в течение ближайших 2-3 лет (в зависимости от выделенного бюджета), а также данные об уровне моря будут отправляться в офис в Ставангер каждые 10-20 минут и будет немедленно применяться автоматический контроль качества доступный на нашем сайте.
Регистратор данных и коммуникационного устройства имеют отдельные резервные копии батареи. Регистратор данных имеет меньшее энергопотребление, чем устройство связи, поэтому в случае сбоя питания, датчик будет продолжать хранить данные, даже если связь нарушена.
Нивелирование производится из TGBM используя один или два дополнительных ориентира для привязки.TGBM в твердой породе как можно ближе к датчику уровня моря, насколько это возможно. После модернизации приборов в период между 1985 и 1991 годами, выравнивание было сделано с каждым годом. Так как большинство датчиков расположены на твердом грунте, интервал выравнивания теперь составляет три года, за исключением нескольких датчиков, которые углубляются. Выравнивание следующим процедурам, изложенным в Руководстве ЮНЕСКО на уровнем моря измерения и интерпретации, том I, и точность миллиметровая. Труднее калибровать датчик уровня моря с той же точностью. Калибровка выполняется путем измерения расстояния от поверхности моря до точки контакта с сотрудниками выравнивание внутри колодца, и, принимая одновременно показания датчика уровня моря. Это повторяется несколько раз, и датчик уровня моря откалиброван, сделав его показания равны замечания по персоналу. Принимая много показаний, снижает проблемы с движущейся поверхности моря. Там могут быть, однако, некоторые индивидуальные различия в том, как калибровка выполняется, и это может ввести систематические ошибки в несколько миллиметров. Мы используем нуль уровенного поста, что является ниже минимального наблюдаемого уровня моря. Чтобы избежать путаницы, мы никогда не используем уровни, как Datum Chart Datum или Межевой, как калибровочная нуля.
Датчики уровня моря проверяются с интервалом в 18 месяцев. Мы хотели бы проводить выравнивание и проверок чаще, но мы должны сократить эксплуатационные расходы как можно больше.
Для всех станций, тесное сотрудничество с местными операторами является существенным. Они следят за оборудованием и помочь нам в различных ситуациях.
Отбор проб и фильтрации в датчике уровня моря
Затухание волны представляет собой механическую понжение частот (LP) фильтра. Ослабление R зависит от соотношения между площадью поперечного сечения скважины и области отверстия: R = (площадь и) / (область отверстием) (Forrester, 1983). Это соотношение также влияет на время отклика, которое определяется как время, необходимое до уровня моря изнутри изменилась в середине точки внезапное и постоянное изменение снаружи. Высокое значение R дает высокий коэффициент затухания и долгое время отклика. Он рекомендован by Forrester (1983), чтобы выбрать R = 100, который будет проходить волны с периодами, например, 12 ч (представляет для прилива) и периодами 6 минут (показывает в порта сейшен), но будет ослаблять волны в течение 6 с (показывает поверхность зыби). Граничной частоты -3 дБ будет примерно 1/40 Гц (взято из участка в ши и Роджерс (1981). R = 100 означает время отклика 11 сек (Forrester, 1983). Большинство наших датчиков уровня моря у R близко к 100. частота дискретизации 1 Гц в трубах такого типа должно быть удовлетворительным.
В регистраторе 3-мин Среднее арифметическое рассчитывается каждые 10 мин. Исследования в NHS показали, что этот фильтр не удаляет все частоты выше частоты Найквиста для 10-ти минутах выборки (fNy = FS / 2 = 1 / (2x10x60) Гц = 0,0008333... Гц). Существует в настоящее время тест для расчета 1-минутного среднего арифметического каждую минуту в регистратор данных и передаче 1-минутных данных в офисе. В этом случае фильтр лучше подходит для частоты дискретизации, и мы будем получать доступ к более высокой скорости передачи данных, а также.
Обработка данных при выключенном iceThe:полученные данные хранятся в базе данных. Применяются к данным автоматический и ручной контроль качества.
Один час значения используются для гармонического анализа. Чтобы избежать неровностей, все частоты выше частоты Найквиста (fNyq) должна быть удалены перед удалением из 10-ти минут значения 1-часового значения. Частота Найквиста fNyq составляет половину частоты дискретизации фс = 1 / (1 час).
4-го порядка фильтра Баттерворта используют для этой цели (Hodnesdal 1983; см. АЧХ на рисунке 4). Частота среза составляет 1 / (3 часа). Временные ряды проходят вперед и назад через этот фильтр, чтобы обеспечить нулевую фазу ответа. Квадрату амплитуды ответа -29,4 ДБ (= 0,034 Гц) при fNyq. Это приемлемо анти-е, 1 1
F = * = ±
Ыу «2] час-2 60-60-2
Hz = 0,0001388. Гц..
сглаживания фильтра, потому что почти вся энергия выше частоты Найквиста будет удалена. Проблема в том, однако, что некоторые из более-гармонических составляющих будут частично фильтроватся также. Частоты с пятых-суток (период около 4,8 ч) и выше будет ослаблен фильтром. Для станций со значительными мелкими составляющими воды, должен быть использован фильтр с более высокой браковкой и быстрым спадом. Для получения дополнительной информации перейдите по ссылке: https://vannstand.statkart. нет /
Ссылки
Forrester, W.D. 1983 года. Канадские Приливные руководства. Департамент рыболовства и океанов, канадский гидрографической службы, Оттава. 138pp.
Hodnesdal, H. 2003. Использование фильтра Баттерворта для LP-фильтрации уровня воды данных в NHS. Технический отчет. Норвежской гидрографической службы, Ставангер, Норвегия.
Ши, H.H. и Роджерс, Д. 1981. Анализ ошибок для измерения прилива системы, использующие трубах. Технический отчет. Департамент США торговли, Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) США.
Акустические мареографы
Было разработано несколько акустических мареографов, основанных на измерении времени хода звукового сигнала, вертикально отраженного от поверхности воды. Теоретически данный тип измерений может осуществляться простым приемником звукового сигнала, установленным над поверхностью воды, но, при определенных условиях, отраженный сигнал может быть утрачен. Чтобы ограничить воздействие внешних факторов и обеспечить надежную работу мареографа, чувствительный датчик помещен в защитную трубу, уменьшающую также влияние волнения. Некоторые датчики удерживают звуковые сигналы в узкой трубке, помещенной внутрь защитной трубы. Внешняя труба не исключает влияния волнения полностью, поэтому данные фильтруются осреднением нескольких измерений.
Скорость звука в воздухе существенно меняется с температурой и влажностью (примерно на 0.17 %/*С), что необходимо учитывать для достижения достаточной точности. Самый простой способ – постоянно измерять температуру воздуха внутри трубы и вычислять по ней скорость звука. Чтобы учесть перепады температуры в трубе, несколько датчиков температуры можно расположить на разных уровнях.
Более точный метод компенсации заключается в установке акустического отражателя на заданном уровне в трубе. Соотнося сигнал от поверхности моря с сигналом, пришедшим от отражателя, возможно напрямую скомпенсировать разницу в скорости звука между источником сигнала и отражателем. Однако, любое изменение скорости звука между отражателем и поверхностью моря учитываться не будет. Эта проблема может быть решена установкой нескольких отражателей покрывающих всю высоту прилива, но ни в одном из существующих мареографов данный принцип не реализован.
3.4.1. Мареографы со звукопроводящими трубками
Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA), Национальная океанографическая служба (NOS) более десяти лет назад запустили в США многолетнюю программу внедрения мареографических систем нового поколения (NGWLMS) в американскую национальную сеть водомерных постов, а также выборочно по всему миру. Эти системы действовали наряду с уже существующими (поплавковыми или гидростатическими) мареографами в течение как минимум года на многих постах, чтобы обеспечить соответствие базисов и непрерывность собираемых данных. На нескольких станциях старые и новые системы работали одновременно в течение нескольких лет для сравнения их работы в течение длительного промежутка времени. Мареографы такого же принципа действия применялись и в других странах, например, в Австралии, где назывались SEAFRAME-системы.
Мареографы системы NGWLMS используют датчики уровенные датчики Aquatrak, разработанные Bartex Inc. И приобретенные Aquatrak Corporation вместе с системой обработки и передачи данных Surton. Данный датчик посылает звуковую волну вниз по поливинилхлоридной звукопроводящей трубке полудюймового диаметра и измеряет время возврата звукового сигнала от эталонной калибровочной точки и от поверхности моря. Два температурных датчика измеряют изменение температуры по звукопроводящей трубке. Все это дает возможность контроллеру учитывать в измерениях колебания скорости звука из-за изменения температуры и влажности. Контроллер датчика производит необходимые вычисления, чтобы определить расстояние до поверхности воды. Звукопроводящая трубка помещена внутрь поливинилхлоридного защитного колодца диаметром 6 дюймов, оканчивающегося биконической насадкой для уменьшения волнения. Используемый защитный колодец более проницаем для внешних воздействий, чем традиционный и не исключает влияния волн полностью. В зонах с сильными приливными течениями, а также сильной зыбью и волнением под насадку дополнительно устанавливаются параллельные пластины для погашения их воздействия. На рисунке 3.5 изображена схема типового водомерного поста системы NGWLMS. Для наилучшей точности измерения место нуля датчика определяется по трубке из нержавеющей стали строго регламентированной длины.
Мареографы системы NGWLMS способны использовать до 11 различных вспомогательных океанографических и метеорологических датчиков. Они запрограммированы проводить измерения в 6-тиминутные интервалы, состоящие из 181 ежесекундного замера уровня каждое. Середина каждого интервала соответствует одной десятой части часа. Программное обеспечение отсеивает промахи, которые могут возникнуть из-за ложного отражения сигнала. Разрешающая способность мареографа обычно до 3 мм. На нем также установлено необходимое оборудование для телефонной и спутниковой связи.
В статье Джилла за 1993 год описывается работа оборудования системы NGWLMS. Леннон и Васси представляют материалы сравнения NGWLMS и традиционных поплавковых или гидростатических мареографов в Австралии и Великобритании. Большая часть сопоставлений показывает небольшие расхождения порядка нескольких миллиметров, что находится в пределах инструментальной погрешности измерений. Такие различия малы по отношению к обычной высоте приливов и даже сезонным и многолетним колебаниям уровня моря. Системы NGWLMS достаточно точны для изучения среднего многолетнего уровня моря. Современная версия NGWLMS, Sea Ranger, имеет ряд преимуществ перед предшественниками, включая возможность самонастройки.
3.4.2.Акустические мареографы без звукопроводящих трубок
Некоторые акустические мареографы не имеют звукопроводящей трубки, обычно расположенной внутри волнопогашающего колодца или пластиковой трубы примерно 25 см в диаметре. Некоторые из таких мареографов способны работать на открытом воздухе, но такие приборы как правило не используются для высокоточных измерений уровня. Эти приборы работают на частоте 40-50 кГц и имеют относительно небольшой угол излучения в 5 градусов. Интервал измеряемых величин примерно 15 метров, а средняя точность, согласно изготовителю, составляет 0.05%.
Существует прямо противоположный опыт использования мареографов данного типа, от проблем с достижением указанной точности при различных внешних условиях (смотри презентацию Рут Фаре, IOC, 2003) до примеров надежной и непрерывной пятнадцати мареографов в сети REDMAR (Испания), большая часть из которых установлена в 1992 г. и работает по сей день (см. презентацию Бегоны Перез, IOC, 2003). Решающим фактором при использовании данных приборов является зависимость скорости звука от условий внешней среды, таких как температура и влажность. С другой стороны, звукопроводящие трубки обычно увеличивают перепад температуры между прибором и поверхностью моря, если только не обеспечивается достаточная циркуляция воздуха в трубке. Возникает необходимость компенсировать колебания скорости звука, используя акустический отражатель, установленный на заданной высоте под излучателем. Такая схема используется в мареографах типа SRD используемых в сети REDMAR. Аккуратная установка, уменьшение влияния на систему условий внешней среды и следование требованию изготовителя о минимальном расстоянии от прибора до поверхности воды становятся определяющими факторами для точности получаемых данных.
Один из таких приборов (SRD) установленный в волпопогашающем колодце, расположенном внутри небольшого здания или будки непрерывно и почти идеально работал в течение 15 лет. Из-за почти неизменной температуры внутри здания условия эксплуатации прибора можно считать идеальными. Данные с этого акустического мареографа использовались для устранения неисправностей поплавкового самописца, установленного в тот же самый колодец.
Исследования среднего многолетнего уровня моря в Испании по данным, собранным за 12 лет показали высокое качество данных, полученных мареографами типа SRD по сравнению с мареографами поплавкового типа. По этим данным даже возможно было обнаружить смещение скалы в поплавковых мареографах. Но так же существует и противоположный опыт использования таких приборов в Южной Африке (см. статью Фаре в приложении 5 этого номера). Так или иначе, скорее всего данный тип приборов будет повсеместно заменен на радиолокационные аналоги в ближайшем будущем.