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 - Требованияк основным характеристикамзондов

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

Дата добавления: 2014-01-07