CC BY
390
ВОЛНОМЕРНЫЕ БУИ В РЯДУ СОВРЕМЕННОЙ ВОЛНОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ
Д.Г. Грязин, А.В. Бердюгин
В докладе приводится классификация средств измерения волнения, анализируются достоинства и недостатки различных приборов. Рассмотрены характеристики волномерных буев, представленных на мировом рынке. Указываются тенденции развития волномерных буев.
Введение
Многие отрасли хозяйственной деятельности человека тесно связаны с морем: гидростроительство и океанология, морская геология и судостроение, мореплавание и военно-морской флот. Знание параметров морского волнения необходимо для безаварийной работы морской техники, прогнозирования погодных условий и решения других задач.
В настоящее время известно множество способов измерения морского волнения. Как отмечал Г.В. Матушевский еще в восьмидесятых годах, дефицита в методах нет. В большей степени ощущается дефицит в средствах измерения волнения.
Существенно отметить, что многие волнографы, особенно в нашей стране, разрабатывались в единичных экземплярах в неспециализированных организациях, что вызвано затянувшимся на многие годы отсутствием серийного выпуска волноизмеритель-ной аппаратуры в России.
Классификация волноизмерительной аппаратуры
Существующие приборы, устройства и измерительные комплексы, которые могут быть отнесены к волноизмерительной аппаратуре, можно классифицировать по следующим признакам рис. 1.
1. По степени связи с пространством - на фиксирующие состояние площади водной поверхности в определенный момент времени и измеряющие характеристики волнения в заданной точке в течение достаточно продолжительного времени.
К фиксирующим состояние поверхности моря за короткое время следует отнести оптические и радиолокационные методы, при которых измерение характеристик волнения производится за промежуток времени не более 2 с.
К определяющим характеристики волнения в точке за продолжительное время относятся методы измерения с использованием электродных, буйковых волнографов или лазерных приборов. Использование этих методов предполагает выполнение измерений за 15-30 минут.
2. По степени взаимодействия датчиков с водой - на контактные и неконтактные.
К контактным методам относятся методы измерения ординат волнения с помощью буйков, свободно плавающих на поверхности воды, и электродных приборов, закрепленных на сваях, вехах или корпусе судна.
К неконтактным методам следует отнести лазерные, радиолокационные, оптические методы, позволяющие производить измерения, при которых чувствительный преобразователь располагается вне поверхности воды.
3. По принципу размещения - на поплавковые приборы, приборы, размещенные на подвижном объекте, и приборы, установленные на сваях.
К поплавковым относятся различного рода буи и плавающие вехи, к приборам для подвижных объектов - стереофотоаппараты, приставки к судовым радиолокаторам, спутниковая аппаратура. К свайным приборам можно отнести электродные волнографы.
По степени связи с
пространством
▼
Измеряющи Измеряющи
е в одной е по
По степени взаимодействия датчика с водой
По виду измерительной информации
К
ч к
к к о к а й К
и <
По виду физических явлений,
используемых для работы первичных преобразователей
зт
Альтиметр
Судовые волнографы
Электродны
Оптические приборы
м м
о и С и: С <и
р к
т с
е е
м о ч и (т
р е л е и & т с О Ё а.
с о с
к р с
а д с
О и г 1-
е
Рис. 1. Классификация приборов для измерения волнения по различным критериям
4. , - на средства измерения ординат волновых возвышений и на приборы для измерения статистических и спектральных характеристик волн.
К приборам первой группы следует отнести электродные волнографы, буи с гидростатическим датчиком давления буи, имеющие в качестве датчика акселерометр, а также лазерные волнографы.
К средствам измерения спектральных и статистических относятся разного рода буи, вехи, приборы, измеряющие гидродинамическое волновое давление, а также радиолокационные волнографы.
5. , -- на электродные волнографы, буйковые приборы, альтиметры, судовые и оптические волнографы.
В состав электродных волнографов входят приборы, преобразующие уровень воды в электрический сигнал с использованием резистивного, емкостного, индуктивного, а также электроконтактного датчиков.
К классу альтиметров относится волноизмерительная аппаратура, позволяющая определить неконтактным способом расстояние от некоторого фиксированного уровня до взволнованной поверхности моря. Эти приборы располагаются как на неподвижном основании, так и на подвижном носителе (самолете, корабле, подводной лодке). В последнем случае в приборе учитываются вертикальные перемещения носителя, курсовой угол к направлению бега волн и угловое распределение энергии в спектре. К этим приборам относятся лазерные приборы, инфракрасные альтиметры и сонары (ультразвуковые эхолоты), радары.
Измерение ординат волновых возвышений с борта судна часто выполняется средствами альтиметрии или электродными приборами, к которым добавляется блок, по-
зволяющий вводить поправку на качку судна. Тем не менее, в практике волновых измерений широкое распространение получил волнограф Таккера, в котором для измерения ординат волнения применяются датчики давления, установленные в форштевень судна, а для выработки сигнала коррекции от качки применен акселерометр с двойным интегрированием.
К оптическим средствам измерения волнения следует отнести фотограмметрию (стереофотосъемку) и телевизионные системы.
Волномерные буи (ВБ) представляют собой свободно плавающие или заякоренные буи, оснащенные измерительной аппаратурой. В некоторых случаях эти буи при выполнении измерений имеют связь с судном. По принципу действия ВБ подразделяются следующим образом.
1. Буи с акселерометром, имеющие в качестве чувствительного преобразователя датчик ускорения, стабилизированный в вертикальной плоскости. Сигнал ускорения после двойного интегрирования преобразуется в сигнал, пропорциональный возвышению водной поверхности. Класс буев, работающих на этом принципе, очень широк, к нему относятся свободно плавающие, теряемые, привязные (к судну или основному бую), заякоренные буи, информация с которых передается по проводной или радиосвязи.
2. Буи с гидростатическим датчиком давления. Эти приборы состоят из буя и гондолы с датчиком давления, подвешенной к бую на кабель-тросе. В том случае, если длина кабель-троса больше половины длины измеряемой волны, прибор регистрирует ординаты волнового профиля. В связи со своей простотой этот прибор получил распространение как в отечественном приборостроении, так и за рубежом.
3. Буи с гидрометрической вертушкой. Приборы, работающие на этом принципе, начали появляться с 60-х годов [16]. Датчиком этого прибора служит вертушка, установленная в цилиндрическую обечайку. При подъеме датчика вслед за буем на лопасти вертушки набегает поток воды, в результате чего она вращается. Указанное вращение преобразуется в измерительный сигнал, который, для получения ординат профиля волны, должен быть проинтегрирован.
Не останавливаясь на достоинствах и недостатках каждого из классов приборов, отметим лишь то, что наибольшее распространение в мировой практике получили волномерные буи. Это связано с рядом преимуществ этих приборов по сравнению с другими. К числу этих преимуществ необходимо отнести:
• значительную автономность этих приборов и их высокую надежность;
• возможность выполнения измерений по заданной программе без участия оператора;
• сравнительно низкую цену;
• высокую достоверность получаемой информации (по точности эти приборы уступают только электродным волнографам);
• возможность их использования на акваториях с различными глубинами.
Указанные преимущества позволили в настоящее время создать сети буйковых станций на акваториях многих морей и океанов.
Современное состояние рынка волномерных буев
Наибольшее распространение в практике измерения морского волнения приобрели волномерные буи с акселерометрическим датчиком и буи с гидростатическим датчиком давления.
В настоящее время одним из лидеров в производстве акселерометрических буев является голландская компания Datawell BV, а наиболее распространенным волномер-ным буем - Directional Waverider MklII (рис.2) [1]. Буй имеет шарообразную форму, его диаметр составляет 0,9 метра. Прибор предназначен для измерения параметров двух-
мерного спектра волнения, а также направления бега волн. Кроме указанных характеристик, буй измеряет температуру воды. Передача измеренных данных может осуществляться с помощью УКВ передатчика на расстояние до 50 км или спутниковой системы Argos, а также накапливаться во внутренней памяти прибора. Местоположение буя может быть определено с помощью системы GPS. Заявленные диапазоны измеряемых периодов волн составляют 1,6-30 с, высоты волны до 40 м. Питание буя автономное, автономность в режиме измерений - до 12-30 месяцев, в зависимости от конфигурации установленного оборудования. Акселерометр для измерения вертикальных ускорений размещен на стабилизированной платформе с собственным периодом колебаний 40 с, представляющей собой демпфированный маятник. Сигнал вертикального ускорения преобразуется в сигнал перемещения с помощью двойного интегрирования. Сигналы углов качки вырабатываются по отклонению корпуса датчика относительно стабилизированной платформы.
Рис. 2. Волномерный буй Directional Waverider MkIII
Рис. 3. Телеметрический буй DB4280
Широко разрекламированным буем, использующим акселерометр, является прибор DB4280 (рис. 3) норвежской компании Aanderaa Instruments [2]. Этот прибор предназначен для использования в прибрежной зоне, портах, заливах и вблизи океанских платформ. Буй позволяет производить измерения высоты и периода волнения, скорости и направления течения, температуры воды, а также различных метеорологических параметров и передавать измерительную информацию в реальном режиме времени с помощью УКВ радиоканала, GSM-связи или спутниковой системы Orbcomm. Вертикальное ускорение измеряется с частотой 4 Гц и дважды интегрируется для получения пе-
ремещения. Выходным параметром датчика является средняя высота волны за 10 минут. Заявленный диапазон измеряемых высот волн - 0-10 м с точностью ±10% (для периодов от 3 до 10 с). Диапазон измерения периодов волн - 1-30 с. Продолжительность режима измерения - 10-60 мин.
Серийно выпускаемым волномерным буем, использующим акселерометрический датчик перемещения, является прибор Wavecrest (рис.4) великобританской компании NBA (Controls) Ltd [3]. Буй выполнен в виде сферы диаметром 0,63 м, в которой размещены датчик, электронный блок и аккумуляторные батареи. На верхней крышке корпуса буя расположены лампа-вспышка, антенна радиопередатчика и выключатель. Датчик представляет собой пассивный акселерометр с низким энергопотреблением, размещенный на платформе маятника с низкой собственной частотой колебаний, и позволяет производить измерения волнения высотой 0,3-30 м в диапазоне частот 0,5-0,05 Гц с погрешностью не более 3% во всем диапазоне измерения. Буй оснащен радиопередатчиком, работающим в диапазоне частот 26,905-27,985 МГц для передачи данных на расстояние до 50 км. Срок автономной работы буя составляет 4 месяца.
Рис. 4. Волномерный буй Wavecrest
Рис. 5. Волномерный буй Seawatch mini buoy
Волномерный буй Seawatch mini buoy (рис. 5), выпускаемый норвежской компанией Oceanor [4], кроме измерения высоты волнения и направления распространения волн, измеряет температуру и солености воды, а также скорость и направления течения. Производитель дополнительно оснащает прибор рядом датчиков для контроля различных параметров. Корпус буя выполнен в виде сферы диаметром 0,9 м, состоящей из двух половин: верхней и нижней. В нижней половине размещены электронные блоки, датчики и аккумуляторные батареи. Верхняя половина выполнена из оптически про-
зрачного материала и защищает от воздействия влаги расположенные под ней солнечные панели, антенны и сигнальный огонь.
Передача измеренной информации может осуществляться через спутниковые системы Inmarsat или Argos, через GSM-модем или УКВ радиопередатчик по выбору заказчика. Измерение параметров волнения производится с помощью акселерометриче-ского датчика, который, по заверениям производителя, обеспечивает измерение средней высоты волны в диапазоне ±15 м. с погрешностью не более 10 см., среднего периода волн в диапазоне 2-30 с. с погрешностью не более 2 % от измеренной величины. Обработка сигналов датчиков и расчет характеристик волнения производится расположенным на борту буя микропроцессором.
К числу буев с гидростатическим датчиком давления, разработанных в последнее время, в первую очередь следует отнести волномерные буи «Дельфин» (рис. 6) и «Нептун» [5], разработанные в России в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова.
Рис. 6. Волномерный буй «Дельфин»
Оба прибора имеют цилиндрический корпус, к которому на кабель-тросе подвешена гондола с датчиком давления. Длина кабель-троса равна 40 м. Буй «Дельфин» позволяет производить измерения ординат морского волнения в диапазоне длин волн 1076 м с высотой до 10 м, «Нептун» - в диапазоне 0,1-4м. с длиною 6-60 м., кроме того, этот прибор рассчитывает такие характеристики, как высота волны 3%-ной обеспеченности, средняя высота волны, средний период волны, число зарегистрированных волн, бальность волнения. Прибор отображает измеренные параметры на собственном дисплее, а также может транслировать измерительную информацию в персональный компьютер. Питание обоих буев автономное. Время измерения 15 мин. Масса приборов составляет около 27 кг. Указанные приборы являются узкоспециализированными и предназначены для проведения мореходных испытаний судов.
Перспективы развития волнографов
Очевидно, что в развитии волноизмерительной техники наметились явные тенденции, в первую очередь направленные на комплексирование различной аппаратуры в одном приборе. Такие буи, в первую очередь, призваны решать задачи гидрометеорологии и в основном ограничиваются измерением средней высоты и периода волнения, направления распространения волнового фронта. Примерами таких приборов являются волномерный буй Seawatch mini buoy и телеметрический буй DB4280. Требования к точности измерений такими буями, как правило, невысоки.
Наиболее точными волномерными буями остаются буи с гидростатическим датчиком давления. Это обусловлено рядом особенностей их конструкции [5]. Отметим лишь одну из них, к сожалению, остающуюся без должного внимания разработчиков. Основополагающим принципом теории поверхностных гравитационных волн, на основе которой рассчитываются все характеристики волнения, является предпосылка о том, что измерения производятся либо за короткое время на значительной площади моря, либо за продолжительное время в одной точке поверхности. Свободно дрейфующие акселерометрические буи могут иметь методическую погрешность, обусловленную неверной интерпретацией результатов их измерений. Буи с гидростатическим датчиком давления, напротив, имеют в своей конструкции кабель-трос с гондолой, который препятствует их дрейфу. Заякоривание буев также приведет к возникновению еще одной методической погрешности, обусловленной дополнительной связью.
Вторая сохраняющаяся тенденция заключается в создании узкоспециализированных волномерных буев. Примерами таких приборов являются волномерный буй Directional Waverider MkIII компании Datawell BV, буй Wavecrest великобританской компании NBA (Controls) Ltd., буи «Нептун» и «Дельфин», разработанные ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова. Эти буи обладают высокими метрологическими характеристиками и расширенным рядом измеряемых параметров волнения. Такие приборы, в первую очередь, предназначены для решения задач океанологии, гидростроительства и судостроения.
Третьей тенденцией в развитии волноизмерительных буев является широкое внедрение новейших средств трансляции измерительной информации потребителю. Для этого, кроме традиционных радиопередатчиков, используются различные спутниковые системы, а также GSM-модемы береговых сотовых телефонных станций. Для определения текущего местоположения буев в большинстве случаев применяется спутниковая система глобального позиционирования (GPS).
Не следует исключать появления в ближайшем будущем волномерных буев, использующих новые принципы и методы измерений. Так, например, в 2004 году компания Datawell BV объявила о начале выпуска новой модели волномерного буя Directional Waverider Buoy G4, изготовленного в корпусе рис. 2. В данном приборе измерение параметров морского волнения основывается на использовании спутниковой радионавигационной системы. Прибор использует принцип Доплера и вычисляет скорость перемещений буя, исходя из изменений частоты сигналов GPS спутников. Например, если буй перемещается по направлению к спутнику, то частота сигнала увеличивается, и наоборот. Скорости перемещения буя интегрируются по времени для определения ординат волнового профиля. Заявленная точность измерения координат свободно движущегося буя ±2 см по трем осям при периодах волн от 1 до 100 с.(а это волны длиной 15600 м.) вызывает определенное недоверие и к прибору в целом. К недостаткам этой измерительной системы можно также отнести возможность потери информации из-за разрыва связи со спутником при прохождении крутых волн и возможность искажений радиосигнала в приповерхностном слое воды и атмосфере.
Следует обратить внимание, что на фоне активного развития волноизмерительной техники в странах ЕЭС в нашей стране эти приборы не производятся.
В заключение отметим, что в связи с тем, что волнографы, и особенно волномер-ные буи, являются приборами как оборонного, так и гражданского применения, их поставки в Россию зависят от внешнеполитической ситуации. В то же время продажа этих приборов на мировом рынке становится все более выгодным бизнесом. Указанные причины позволяют надеяться на то, что даже в условиях сокращения средств, выделяемых Министерством обороны на разработку новых гидрометеорологических приборов, их производством могут заинтересоваться промышленные холдинги.
Литература
1. http://www.datawell.nl
2. http://www.aanderaa.com
3. Wavecrest. Promotional material of NBA (Controls) Ltd. 1982
4. http://www.oceanor.no
5. Грязин Д.Г. Расчет и проектирование буев для измерения морского волнения. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2000. 133 с.
