metody pomiarowe

Wstęp
Środowisko wód przybrzeŜnych
PrzybrzeŜne wody mórz to rejon ścierania się wpływów morskich i lądowych.
W morzach bezpływowych jakim jest Bałtyk wahania poziomów wody generują
wiatry, silne są w tej strefie prądy. Wyjątkowa obfitość biomasy w wodach
przybrzeŜnych związana jest z dopływem wód śródlądowych wnoszących do tej
strefy związki azotu i fosforu, dobrymi warunkami świetlnymi wspomagającymi bujny
rozwój roślinności osiadłej. Środowisko morskie strefy przybrzeŜnej moŜna
charakteryzować prezentując wyniki pomiarów róŜnych parametrów fizycznych:
zmiany poziomów wody, prądów, zlodzenia, temperatury, zasolenia wody oraz
stęŜenie rozpuszczonego tlenu i soli biogennych (fosforu, azotu i krzemu). Pomiary
oceanograficzne wykonuje się podczas rejsów – najczęściej raz w miesiącu lub kilka
razy w roku. Nie prowadzi się tych pomiarów w trudnych warunkach pogodowych podczas sztormów. Nowoczesne techniki pomiarowe umoŜliwiają juŜ wykonywanie
pomiarów większości parametrów fizycznych i chemicznych w oparciu o
zakotwiczone bądź pływające boje, platformy wydobywcze, stacje brzegowe
pracujące bez przerw i automatycznie przesyłające wyniki pomiarów. Oczywiście
pomiary wykonywane przez stacje brzegowe nie zastąpią pomiarów wykonywanych
przez statki badawcze, ale mogą być cennym uzupełnieniem pomiarów rejsowych.
Zgodnie z zaleceniami WMO, naleŜy dąŜyć do organizacyjno-technicznej
integracji naziemnych systemów pomiarowo-obserwacyjnych słuŜb hydrologicznych i
meteorologicznych z systemami monitoringu jakości wody i innych wielkości
geofizycznych [K. RóŜdŜyński, Miernictwo hydrologiczne, IMGW, W-wa1998].
Do niedawna większość parametrów środowiskowych wód określano w
wyspecjalizowanych laboratoriach metodami klasycznej lub instrumentalnej analizy
chemicznej, analizując próbki wody pobrane w określonych punktach. Próbki
pobierano w odstępach miesięcznych w niektórych wypadkach częściej. Rozwój
techniki pomiarowych umoŜliwia obecnie budowę stacji pomiarowych wyposaŜonych
w tzw. „czujniki środowiskowe” mogących rejestrować w sposób ciągły lub quasiciągły większość standardowych parametrów jakości wody. Pomiary ciągłe
wykorzystujący jonoselektywne czujniki membranowe ma wiele wad, wymaga
częstego serwisowania, czyszczenia i kalibracji sprzętu pomiarowego. Wyniki jakie
dzięki budowie tego typu stacji moŜna uzyskać warte są nakładów finansowych na
budowę i utrzymanie tego typu stacji.
Metody pomiarów ruchów pionowych wód morskich
Na akwenach morskich występują „pionowe ruchy wód” o róŜnej skali
czasowej. Dla uproszczenia zagadnienia przyjmijmy, Ŝe po wyeliminowaniu
krótkookresowego falowania wiatrowego mamy do czynienia z poziomem morza
(wody). Od ponad 300 lat prowadzone są pomiary zmian poziomu morza za pomocą
wodowskazów, a od ponad 100 lat pomiary i rejestracja zmian poziomu morza
wykonywane były w wielu miejscach na świecie przy zastosowaniu studni
mareograficznych
–
działających
jak
filtr
dolnoprzepustowy
odcinający
krótkookresowe zmiany falowe. Obecnie w urządzeniach opartych na elektronice
stosuje się elektroniczne układy uśredniające mierzonych wartości chwilowych w
odpowiednio długim okresie czasu (np. 100-1000s). Falowanie moŜemy podzielić na:
falowanie powierzchniowe i falowanie wewnętrzne (na granicy skokowej zmiany
gęstości). Metody pomiarów poziomów wody dzieli się na: bezpośrednie i pośrednie.
Urządzenia i przyrządy bezpośrednie (inaczej nazywane przymiarowymi) to takie za
pomocą których moŜna bezpośrednio (bez konieczności przeliczania odczytać
chwilowy poziom wody. Są to przede wszystkim łaty wodowskazowe (klasyczne lub
elektryczne: oporowe lub pojemnościowe) dowiązane do sieci geodezyjnej lub inne
urządzenia
przymiarowe.
Urządzenia
i
przyrządy
pośrednie
umoŜliwiające
wyznaczenie poziomu wody poprzez wykorzystanie w tym celu pomiaru innych
wielkości fizycznych towarzyszących zmianom poziomu wody. Urządzenia te
przetwarzają zmiany poziomu lustra wody na proporcjonalny sygnał elektryczny lub w
przypadku bardziej zaawansowanych technik pomiarowych na sygnał cyfrowy.
Sposob zamocowania laty wodowskazowej do nabrzeza
720
1
Sruba
regulacyjna
1150
70
9
8
7
6
5
4
3
2
1
2
3600
1
50
9
8
60
9
8
7
6
5
4
3
2
1
50
9
8
7
6
5
4
3
2
1
40
9
8
360
Element nosny laty
Lata wodowskazowa
Nabrzeze
Uchwyty ramy
laty
wodowskaz.
(lata w ramie
stalowej
przykrecona
jest do
elementu
nosnego,
sruby 16 mm)
Plyty stalowe
przytwierdzone
za pomoca
kotew do
nabrzeza
Miejsce przyspawania
elementu nosnego laty
wodowskazowej do plyt
stalowych
Material:
1. Element nosny laty:
- ceownik 80 mm
2. Rama latyt wod.
- ceownik 40 mm
3. Lata wodowsk.
- deska debowa o wym.
3600 X 175 X 24
4. Uchwyty ramy:
- plaskownik 20 X 5
200
7
6
Rys. 13. Schemat łaty wodowskazowej instalowanej przez IMGW OM Gdynia przy
nabrzeŜach portowych z systemem precyzyjnej regulacji wysokości ± 100 mm
(źródło: Stepko W. – opracowanie własne )
Dzięki temu są powszechnie wykorzystywane do budowy automatycznej analogowej
bądź cyfrowej rejestracji poziomów wody z określoną dokładnością i budowy
telemetrycznych systemów pomiarowych. Tego typu przyrządy pomiarowe dzielą się
na:
na
urządzenia
pływakowe
(hydrokinetyczne),
urządzenia
ciśnieniowe
(hydrostatyczne), urządzenia pneumatyczne, urządzenia ultradźwiękowe i radarowe.
KaŜde urządzenie do pośrednich pomiarów poziomów wody wymaga
okresowej kalibracji. Najprościej moŜna to zapewnić instalując obok takiego
urządzenia
jedną
lub
kilka
lat
wodowskazowych
oraz
dodatkowe
repery
wysokościowe. Łaty wodowskazowe powinny być okresowo kontrolowane – tzw.
kontrola techniczna czyli sprawdzane dowiązania wysokościowego łaty za pomocą
niwelacji technicznej.
Niwelacja taka powinna być wykonywana przynajmniej raz na rok. W przypadku
uszkodzenia łaty lub jej wymiany konieczna jest podwójna niwelacja (przed
remontem lub wymianą i po zakończeniu prac technicznych). W IMGW obowiązują
następujące zasady postępowania przy dowiązywaniu „zera” łaty wodowskazowej do
przyjętego układu odniesienia. JeŜeli w
wyniku niwelacji technicznej łaty
wodowskazowej w stosunku do okolicznych reperów otrzymamy róŜnicę| R|≤ 15 mm
to nie „ruszamy” zera wodowskazowego. W przypadku, gdy |R|> 15 mm wykonujemy
regulację łaty wodowskazowej do otrzymanego z niwelacji poziomu odniesienia oraz
poprawiamy wyniki w bazie danych. Takie postępowanie teoretycznie zapewnia
dokładność pomiarów na poziomie ± 15 mm i maksymalny błąd 30 mm.
System GPS stworzył moŜliwość prowadzenia pomiarów zmian poziomów
wody w skali globalnej. Wybrane stacje prowadzące pomiary w specjalnym reŜimie
dokładności pomiarów i kontrolowane metodami geodezji precyzyjnej oraz za
pomocą pomiarów grawimetrycznych mogą wejść do sieci globalnej GLOSS –Global
Level of the Sea Surface lub europejskiej ESEAS. Taką stacją w Polsce jest
Władysławowo, gdzie w 2003 roku CBK PAN zainstalował na budynku mareografu
aparaturę
do
permanentnej
rejestracji
GPS,
nieopodal
wykonane
zostały
bezpośrednie pomiary grawimetryczne. Pomiary wykonywane przez tak wyposaŜoną
stację pozwalają dodatkowo szacować wpływy ruchów izostatycznych skorupy
ziemskiej na zmiany średniego poziomu morza [6].
W Polsce na podstawie art. 19 ust. 1 pkt 3 lit. B ustawy z dnia 17 maja 1989 r.
– Prawo geodezyjne i kartograficzne (Dz. U. z 2000 r. Nr100, poz 1086, z póź. zm.),
zwanej dalej ustawą i Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury w sprawie
charakterystyki
technicznej
prac
geodezyjnych
i
kartograficznych
oraz
Rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 08.08.2000r. w sprawie państwowych
systemów odniesień przestrzennych obowiązują:
§ 5. „Odniesienia prac geodezyjnych i kartograficznych” :
1. jednolity dla całego kraju państwowy system odniesień przestrzennych,
na który składają się:
a) geodezyjny układ odniesienia określający geometryczne i geofizyczne
parametry
Ziemi,
słuŜący
do
wyznaczenia
współrzędnych
geograficznych i geodezyjnych
b) układ wysokości, w
którym wyznacza się wysokości punktów
względem przyjętego poziomu powierzchni odniesienia,
c) układy współrzędnych płaskich prostokątnych, oznaczone symbolami
„1992” – dla map urzędowych w skalach 1:10 000 i mniejszych, i „2000”
–dla mapy zasadniczej
2. jednolity dla całego kraju poziom odniesienia pomiarów grawimetrycznych,
3. jednolity dla całego kraju poziom odniesienia zdjęć magnetycznych.
Układ współrzędnych płaskich prostokątnych, oznaczony symbolem „1965”, oraz
lokalne układy współrzędnych mogą być stosowane do 31 grudnia 2009 r.
§ 6 Geodezyjny układ odniesienia:
Powierzchnią odniesienia geodezyjnego układu odniesienia jest geocentryczna
elipsoida GRS 80
§ 7. Układ wysokości:
Układ wysokości tworzą wysokości normalne, odniesione do średniego poziomu
Morza Bałtyckiego w Zatoce Fińskiej, wyznaczonego dla mareografu w
Kronsztadzie
§ 10 Układ współrzędnych „1992”
1. Układ współrzędnych płaskich prostokątnych „1992” oparty jest na
współrzędnych geograficzno geodezyjnych w układzie europejskim
EUREF–89, występującym równieŜ pod nazwą ETRF-89
§ 21. Klasyfikacja poziomej osnowy geodezyjnej
2. Podstawowa pozioma osnowa I klasy jest zbiorem punktów, na który
składają się jednolicie opracowane następujące sieci
1) sieć geodezyjna, pomierzona techniką satelitarną GPS, tworząca część
europejskiej sieci EUREF na obszarze Polski (EUREF-POL), złoŜona z 11
punktów, nazywana siecią rzędu zerowego
2) sieć geodezyjna, pomierzona techniką satelitarną GPS, zagęszczająca sieć
EUREF-POL, zwana POLREF
3)
sieć geodezyjna, pomierzona techniką satelitarną GPS, zagęszczająca
europejską sieć wysokościową EUVN
Zwracamy uwagę, Ŝe
istniejące łaty wodowskazowe w portach polskich
(zarówno łaty Urzędów Morskich, jak i IMGW) są dowiązane do średniego poziomu
Morza Północnego w Amsterdamie co jest wieloletnią tradycją i ułatwia wymianę
danych z wieloma krajami między innymi z Niemcami. Jednocześnie wszystkie łaty
wodowskazowe są dowiązywane do układu Kronsztad. Celowe wydaje się
dowiązanie reperów zlokalizowanych blisko istniejących i planowanych stacji
mierzących stany wody do osnowy EUREF-POL i POLREF za pomocą techniki
satelitarnej GPS metodami Static i Fast Static. JeŜeli Polska przyjmie Techniczną
Rezolucję A 2.5 IHO (Międzynarodowej Organizacji Hydrograficznej) i wprowadzi na
swoim terytorium EVRS (Europejski Pionowy Układ Odniesienia) konieczne będzie
dowiązanie reperów wysokościowych znajdujących się w pobliŜu stacji mierzących
stany wody równieŜ do tego systemu.
Mając rozwiązany problem dowiązania przyrządów pomiarowych do układów:
współrzędnych płaskich prostokątnych i układu wysokościowego lub jednocześnie
kilku układów wysokościowych w tym od przyjętej elipsoidy moŜna przejść do sprzętu
pomiarowego.
Rys. 14. Urządzenia pływakowe
do pomiarów stanów wody (na
pierwszym planie encoder, po
lewej analogowy mareograf z
zapisem graficznym, w głębi
telemareograf selsynowy.
W miejscach gdzie są zbudowane dobrze działające (droŜne) studnie
mareograficzne najlepiej sprawdzają się w naszym klimacie czujniki pływakowe.
W odróŜnieniu od archaicznych juŜ konstrukcji mechanicznych dostępne są encodery
zamieniające z duŜą dokładnością ruch obrotowy koła pomiarowego na sygnał
cyfrowy (rys.14). Korekta wskazań tego typu przyrządów jest łatwa do wykonania za
pomocą
sprzęgła
ślizgowego.
Przyrządy
tego
typu
wyposaŜone
są w ciekłokrystaliczne wyświetlacze wyświetlające chwilowe wartości poziomów
wody.
Precyzja
odtwarzania
ruchów
pływaka
przy
zakresie
pomiarowym
charakterystycznym dla Morza Bałtyckiego (4 metry) jest mniejsza od 1mm. Tego
typu czujniki nie wymagają legalizacji laboratoryjnej, praktycznie jeśli są wykonane
z odpowiednich materiałów nie starzą się. Koło pomiarowe nie ma Ŝadnych sprzęŜeń
mechanicznych
z
przestrzenią
wewnętrzną
w
której
znajdują
się
układy
elektroniczne. Zastosowanie oleju zapobiegającego zamarzaniu wody w studni
pomiarowej dzięki moŜliwości korekty wskazań przyrządu nie wpływa na wyniki
pomiarowe.
W miejscach gdzie koszty wykonania nowej studni mareograficznej byłyby
zbyt wysokie konieczne jest uŜycie innych przyrządów w których pomiar wykonują
czujniki: hydrostatyczne, akustyczne lub radarowe.
Czujniki hydrostatyczne dzielą się na zamknięte i otwarte. Oba typy tych
przyrządów mierzą wysokość lustra wody ponad poziomem na którym zostaną
zainstalowane) metodą pośrednią – mierząc ciśnienie hydrostatyczne oddziaływujące
bezpośrednio na zanurzony czujnik pomiarowy lub za pośrednictwem ciśnienia
powietrza jakie jest niezbędne dla zrównowaŜenia ciśnienia słupa wody ponad
wylotem cienkiej igielitowej rurki, do której przez cały czas jest wtłaczane powietrze
(czujniki pęcherzykowe). Czujnik zanurzony jest najprostszym i najtańszym
rozwiązaniem, niestety ta metoda pomiarów ma wiele wad mi. konieczność kalibracji
laboratoryjnej czujników tego typu przynajmniej raz na dwa lata. Czujniki te często
ulegają awariom, mają nieliniową charakterystykę, dają bardzo słaby sygnał, do
czujnika oprócz wieloŜyłowego kabla musi być doprowadzona droŜna kapilara
niwelująca zmiany ciśnienia atmosferycznego. Przyrządy oparte na metodzie
pęcherzykowej dedykowane są dla pomiarów na rzekach gdzie nie ma moŜliwości
zainstalowania sprzętu pomiarowego blisko koryta rzecznego, występują zjawiska
lodowe niszczące koryta rzeczne i brzegi. Tego typu przyrządy pomiarowe teŜ
są awaryjne, pompka tłocząca powietrze musi działać bez Ŝadnych przerw. Bardzo
niebezpieczne są przerwy w pracy zimą, jeśli zamarznie woda w przewodzie
igielitowym urządzenie staje się bezuŜyteczne na dłuŜszy czas i moŜe dojść do
zniszczenia pompy. Dodatkowo naleŜy zapewnić odpowiednie warunki pompie,
konieczne jest jej ogrzewanie zimą i ciągłe osuszanie.
Czujniki
rozwiązaniem.
akustyczne
Tego
typu
są
do
pomiarów
przyrządy
moŜna
stanów
wody
podzielić
na
duŜo
lepszym
bezkontaktowe
(zainstalowane ponad powierzchnią wody oraz kontaktowe instalowane pod
powierzchnią wody). Zasada działania identyczna, roŜne pasma częstotliwości
roboczej i co z tym się wiąŜe precyzja pomiarów. Czujnik ultradźwiękowy
bezkontaktowy ma wiele zalet: prosta instalacja, łatwy dostęp do czujników,
praktycznie nie wymagają serwisu. Ze względu na wysoką czułość na zmiany
temperatury powietrza, przy zakresie pomiarowym od 0,3 -10m moŜemy oczekiwać
dokładności rzędu 3cm. Kolejną wadą są obarczone duŜymi błędami pomiary jeśli
na powierzchni wody od której odbija się sygnał akustyczny pojawią się pływające
śmieci lub lód. śeby się przed takimi zdarzeniami zabezpieczyć naleŜy tego typu
czujnik umieścić w rurze studni mareograficznej, ale w studniach najlepiej
się sprawdzają nowoczesne czujniki pływakowe. Tego typu przyrządy pomiarowe
są godne polecenia jako sprzęt awaryjny, tymczasowy na czas powodzi itp. (rys. 15)
Rys. 15 Czujnik akustyczny
SeaTechCodar SR50A firmy
CAMPBELL SCIENTIFIC. INC
(USA) (strona internetowa
producenta)
Ze względu na to Ŝe prędkość przemieszczania się dźwięku w wodzie jest około
3 razy większa, inna jest częstotliwość pracy czujników akustycznych zewnętrznych
(20–40kHz) i wewnętrznych (100–1000kHz) zanurzenie czujnika akustycznego
wydaje się lepszym rozwiązaniem. Błąd pomiarowy przyrządów wyposaŜonych
w czujniki kontaktowe jest rzędu 1cm w zakresie 10m. Tracąc łatwość dostępu
do czujnika zyskujemy zwiększoną dokładność. Tego typu czujniki nie sprawdzają
się w przypadku wystąpienia lodu na powierzchni. Tego typu czujników
w odróŜnieniu od innych opisanych nie stosowano w sieci stacji pomiarowych IMGW.
Są zalecane dla obszarów gdzie nie występuje okresowe zlodzenie.
Rozwiązaniem technicznym łączącym zalety czujnika bezkontaktowego
i bardzo duŜą dokładność pomiarów są przyrządy pomiarowe oparte na czujnikach
radarowych. Czujniki te pracują na falach o częstotliwości około 10 GHz i dokładność
ich pomiaru jest rzędu ±1mm. Tego typu sprzęt pomiarowy był opracowany do
prowadzenia precyzyjnych pomiarów poziomu cieczy w szczelnie zamkniętych
zbiornikach np. w duŜych zbiornikach ropy. Zaletą tego rozwiązania jest oczywiście
brak jakichkolwiek elementów wchodzących w fizyczny kontakt z mierzonym
elementem, a wadą koszty w związku bardzo rozbudowana technika obróbki sygnału
wymagająca bardzo rozbudowanej elektroniki i co się z tym wiąŜe wysoce
wyspecjalizowanego serwisu. Kolejną wadą
są błędne pomiary gdy wiązka
pomiarowa trafi na zanieczyszczenia lub lód na powierzchni wody. Tego typu
przyrządy pomiarowe idealnie sprawdzają się w studniach mareograficznych.
Rys. 16. Radar Level Sensor SITRANS
LR 400 firmy RS HYDRO (strona
internetowa producenta)
Rys. 171. Water Level Radar Sensor
Type-No.7520.0000
firmy
Theodor
Friedrichs & Co. (strona internetowa
producenta)
Przykłady rozwiązań technicznych czujników radarowych przedstawiono na rys.16
i rys.17. Funkcję czujnika zmian poziomów wody moŜe spełniać równieŜ
umieszczony na dnie równieŜ czujnik ADCP (Akustyczny Dopplerowski Profilator
Prądów) – uśrednione w odpowiednio długim okresie czasu odczyty tzw. długich
impulsów dadzą w wyniku poziom wody.
Tego
typu
encodery
firmy
SUTRON
(rys.
18)
uŜywa
sieć
stacji
telemetrycznych pomiarów poziomów wody IMGW wszędzie tam, gdzie Urzędy
Morskie posiadają lub planują budowę odpowiednich studni tłumiących falowanie.
Inne produkowane aktualnie tego typu przyrządy zostały przedstawione na rys. rys..
xx7, xx8.
Rys. 18. Sutron SDI Shaft Encoder
SUTRON Corporation (USA) (strona
internetowa firmy SUTRON
SCIENTIFIC)
Rys. 19. Encoder firmy OTT
HYDROMETRIE (Niemcy)
(strona internetowa
producenta)
Pomiary prądów morskich i falowania
Metoda ADCP (Acustic Doppler Current Profilers – Akustyczny Dopplerrowski
Profilator Prądów) z pewnością zrewolucjonizowała dotychczasowe podejście
do pomiarów: prądów, natęŜenia przepływów, a nawet falowania. Metoda ta bazuje
na zjawisku Dopplera, wykorzystując przesunięcie fazowe odbitego sygnału
dźwiękowego. Fala dźwiękowa wysłana przez urządzenie ADCP rozchodzi
się w wodzie z określoną prędkością i zadaną częstotliwością. Prędkość dźwięku
w wodzie zaleŜy od temperatury i zasolenia (inne wpływy moŜna pominąć oprócz
duŜej zawartości jonów magnezu). Temperatura i zasolenie są wartościami które
moŜna kontrolować i łatwo wprowadzać do algorytmów obliczeniowych. Urządzenia
ADCP posiadają własne czujniki temperatury, a zasolenie moŜna wprowadzić
poprzez oprogramowanie. Transmitowany dźwięk rozchodząc się w wodzie odbija się
od zawiesiny wodnej (planktonu i innych mikroorganizmów, zawiesin mineralnych),
a jego echo rozchodzi się równomiernie we wszystkich kierunkach. Część tego
„echa” powraca do urządzenia ADCP i zostaje poddana analizie. JeŜeli (obiekt) od
której odbija się fala powracająca do ADCP nie porusza się to powracające echo ma
tą samą częstotliwość co wysłany sygnał. JeŜeli cząsteczka jest w ruchu radialnym
(zbliŜa się lub oddala w przestrzeni) względem urządzenia nadawczo – odbiorczego
to powracające echo ma inną częstotliwość zgodną z prawem Dopplera. Mierząc
odległość obiektu od nadajnika na podstawie czasu powrotu echa fali dźwiękowej,
a następnie znając tą odległość, porównując częstotliwość nadanego sygnału
z częstotliwością jego echa moŜemy obliczyć prędkość i kierunek radialny obiektu.
Przy czym obiekt oddalający się od nadajnika będzie powodował zmniejszenie
częstotliwości echa, a obiekt zbliŜający wzrost częstotliwości echa. Za pomocą
jednego urządzenia nadawczo-odbiorczego moŜna określić prędkość tylko w jednym
kierunku. W związku z tym w urządzeniach ADCP stosuje się najczęściej 4 wiązki
odchylone od linii pionu 20º .W trakcie jednego cyklu pomiarowego ADCP tworzy za
pomocą tych czterech wiązek wirtualny stoŜek. StoŜek ten jest dzielony
płaszczyznami równoległymi na tzw. komórki pomiarowe o rozmiarach zaleŜnych od
zadanego trybu pracy, ale zawsze tych samych rozmiarów względem siebie.
Przyrządy ADCP działają najczęściej na jednej z trzech częstotliwości: 1200, 600
i 300 kHz. Zasada jest prosta im wyŜsza częstotliwość tym mniejszy zasięg –
odpowiednio do częstotliwości 30, 90 i 200m, im wyŜsza częstotliwość tym
dokładniejsze profilowanie i mniejsze komórki pomiarowe. W kaŜdej takiej komórce
ADCP dokonuje czterech pomiarów prędkości w czterech kierunkach, mnoŜąc te
wartości przez cosinus kąta zawartego pomiędzy płaszczyzną przepływu a wiązką
sygnału, uzyskuje się wektor prędkości wody prostopadły do przekroju pomiarowego.
Podstawowym załoŜeniem metody jest homogeniczność ruchu w pojedynczych
komórkach tzn. wszystkie obiekty (cząsteczki) w obrębie jednej komórki pomiarowej
poruszają się w tym samym kierunku z tą samą prędkością. W związku z tym kaŜda
wiązka mierzy jedną składowa prędkości (jeśli urządzenie ADCP ustawione jest
pionowo w stronę dna lub leŜy na dnie pionowo do góry są to składowe N,S,W,E –
wewnątrz urządzenia
pomiarowej
jest wbudowany kompas magnetyczny) Wielkość komórki
wybieramy
świadomie
poprzez
wybór
urządzenia
i
ustawień
początkowych. Do pomiaru ruchu potrzebne są tylko 3 składowe, tak więc czwarta z
nich wykorzystywana jest do algorytmów kontrolujących homogeniczność ruchu w
komórkach pomiarowych. Spotyka się ADCP wykonane do celów specjalnych m.in.
do profilowania prądów w poziomie składające się z 2 lub 3 urządzeń nadawczoodbiorczych. Ze względu na bardzo wyrafinowaną elektronikę niezbędną do
uzyskania perfekcyjnych (precyzyjnych) wyników nie ma zbyt wielu producentów tego
typu sprzętu pomiarowego. Metoda ADCP jest metodą stosunkowo „nową” ciągle
ulepszaną i wykorzystywaną wciąŜ nowych zastosowaniach. Bardzo szybko stała się
jednym z podstawowych narzędzi współczesnej oceanologii przy badaniach prądów
morskich. IMGW wykorzystuje sprzęt firmy RD Instrument (USA) do pomiarów
przepływów na rzekach oraz pomiarów prądów z pokładu statku Baltica. Obecnie
pełna nazwa firmy brzmi Teledyne RD Instruments.
W materiałach udostępnianych na stronach internetowych firmy RD Instrument
znaleźliśmy informację o bardzo interesujących moŜliwościach pomiarowych dla
KSBM – 300 kHz Workhors Horizontal ADCP (H-ADCP, rys.21). Urządzenie to
przeznaczone jest do precyzyjnych pomiarów prądów i falowania na odcinku 200
metrów.
Rys.21. Urządzenie H-ADCP firmy
TELEDYNE RD INSTRUMENTS typ
300kHz Workhors Horizontal (strona
internetowa firmy).
Na rys.22 przedstawiono konstrukcję stalową zabezpieczającą ten kosztowny
instrument pomiarowy przed uszkodzeniem w trakcie opuszczania go pod wodę.
PoniewaŜ aparatura tego typu wymaga okresowych przeglądów powierzchni
Rys. 22. Przykład konstrukcji do
opuszczania urządzenia H-ADCP
wykonanej przez DHI (strona
internetowa firmy)
urządzeń nadawczo-odbiorczych powinna być zapewniona moŜliwość jej kontroli bez
pomocy nurka np. poprzez zastosowanie konstrukcji prowadnic wykonanych ze stali
nierdzewnej i wyciąganie urządzenia za pomocą dźwigu. Urządzenie 300 kHz
H-ADCP nadaje się do instalacji na stawach, przy nabrzeŜach portowych i przy
platformach wiertniczych.
Dla porównania inna konstrukcja ADCP czterowiązkowa słuŜąca do pomiarów
prądów w pionie na dnie lub na specjalnych bojach (rys.23).
Rys.23. Urządzenie ADCP firmy
TELEDYNE RD INSTRUMENTS typ
600kHz Workhors Longreanger1105
(strona internetowa firmy)
Urządzenia 300 kHz H-ADCP są przeznaczone do nieustannego monitoringu
prądów w odległości do 200 m do urządzenia (w 128 punktach – tzn. w komórkach
pomiarowych o rozmiarach około 1.5 m) – dzięki dedykowanemu oprogramowaniu
otrzymuje się czytelną ilustrację graficzną zmienności prądów w rejonie pomiarów
oraz dodatkowo obraz kierunkowy falowania i rozkołysu. JeŜeli dodatkowo
przewiduje się umieszczanie urządzeń ADCP na dnie to naleŜy wziąć pod uwagę
głębokość takiego punktu i stosować urządzenia 1200 lub 600 kHz.
Rys.24.
Urządzenie
ADCP firmy TELEDYNE
RD INSTRUMENTS typ
300kHz
Workhors
Horizontal – moŜliwości
zastosowania
na
platformie
wiertniczej
(strona
internetowa
firmy)
Rys.25. Urządzenie ADCP
firmy
TELEDYNE
RD
INSTRUMENTS typ 300kHz
Workhors
Horizontal
oraz
ADCP
4
wiązkowe
zainstalowane
na
dnie–
moŜliwości zastosowania w
rejonie
główek
portowych
(strona internetowa firmy)
Sprzęt ADCP powinien być zainstalowany na takiej głębokości, aby w czasie
profilowania w Ŝadnym wypadku nawet jego część nie wystawała ponad wodę,
podczas prac serwisowych nawet wyłączone urządzenie – jego część nadawczoodbiorcza nie moŜe być poddawana operacji słonecznej (lustra muszą być
zabezpieczone przed drobnymi nawet zarysowaniami powierzchni (patrz rys. 24
i 25). Ze względu na ilość wysyłanych danych pomiarowych naleŜy zastosować linie
telemetryczne umoŜliwiające przesyłanie takiej ilości danych w jednostce czasu.
Miejsca
instalacji
muszą
być
wybrane
tak
Ŝeby
istniało
tylko
niewielkie
niebezpieczeństwo ich zniszczenia jedynie w przypadku kolizji. NaleŜy zabezpieczać
te urządzenia przed uszkodzeniami związanymi z prowadzonymi połowami
rybackimi, trałowaniem, cumowaniem do nabrzeŜa oraz kotwiczeniem. Dodatkowo
naleŜy zaprojektować łatwe i bezpieczne wyciąganie urządzeń na powierzchnię.
Sprzęt ten wymaga odpowiednio przygotowanego serwisu. Awarie sprzętowe moŜe
naprawić praktycznie jedynie producent. Z doświadczeń IMGW ze sprzętem ADCP
wynika
Ŝe
przy
właściwej eksploatacji jest
to
sprzęt
wyjątkowo
odporny
na uszkodzenia ze względu na zwartą konstrukcję materiały odporne na wodę
morską. Drobne usterki z jakimi się spotkaliśmy przy eksploatacji ADCP
spowodowane
były
przez
wybór
w
oprogramowaniu
niewłaściwych
opcji
lub z powodu usterek komputerów z oprogramowaniem niezbędnym do obsługi tych
urządzeń.
Pomiary temperatury wody morskiej na stacjach brzegowych
Jest wiele metod pomiaru temperatury wody. Do pomiaru punktowego
temperatury wody obecnie wykorzystuje się najczęściej elektryczne termometry:
oporowe -termorezystory (Pt 100) lub termistorowe (rzadziej stosowane).
Termometry oporowe pracują najczęściej w układach niezrównowaŜonych mostków
Wheatstone`a zasilanych stabilizowanym napięciem. Napięcie na wyjściu mostka, po
wzmocnieniu podawane jest na wejściu analogowym stacji pomiarowej. W takim
rozwiązaniu bardzo istotny jest zapewnienie przesyłu sygnału analogowego trzy lub
czteroprzewodową linią telemetryczną o odpowiednich przekrojach przewodów,
umoŜliwiającą i utrzymanie przez cały okres eksploatacji czujnika odpowiedniej
oporności izolacji. Dodatkowe przewody słuŜą do kompensacji oporu linii
telemetrycznej. Utrzymanie minimalnej oporności izolacji w trakcie eksploatacji
czujnika niskoomowego (np. Pt 100) jest bardzo trudne, natomiast w przypadku
czujników wysokoomowych (termistory i Pt 1000) praktycznie niemoŜliwe. Dlatego
czujników wysokoomowych nie naleŜy stosować szczególnie do pomiarów
temperatury wody która dość łatwo penetruje izolację kabli. Kabel łączący
termorezystor ze stacją pomiarową musi dodatkowo zabezpieczyć przed wpływem
obcych pól magnetycznych oraz przed doprowadzaniem do czujnika ciepła
przekazywanego przewodom linii telemetrycznej np. w wyniku operacji słonecznej w
miejscach nieosłoniętych.
NajwaŜniejsze jest prawidłowy wybór miejsca pomiaru. Dotychczasowe
pomiary temperatury wody wykonywane za pomocą termometrów rtęciowych
instalowanych w specjalnych obudowach wykonywane były na standardowej
głębokości 0.4 m. Termorezystory trudno jest instalować na pływających bojkach,
gdyŜ często ulegały by zniszczeniu. Dodatkowo kabel telemetryczny byłby
nagrzewany przez słońce. Mimo zerwania jednorodności ciągów pomiarowych
czujniki pomiaru temperatury naleŜy instalować na stałej głębokości poniŜej NNW
(najniŜszego zanotowanego poziomu wody, zabezpieczając je przed zniszczeniem.
NajwaŜniejszym zadaniem jest wybór lokalizacji: w nurcie rzeki, lub w miejscu
swobodnego mieszania się wody morskiej. Wykluczona jest instalacja czujnika w
studni limnigrafu lub mareografu itp.
Pomiary zasolenia
Zasolenie definiuje się jako wagową ilość substancji stałych rozpuszczonych w
1 kg wody morskiej, przy załoŜeniu, Ŝe wszystkie chlorowce zostały podstawione
równowaŜną ilością chloru, węglany zamienione w tlenki, a związki organiczne
utlenione. Laboratoryjną metodą oznaczania zasolenia wody morskiej jest metoda
miareczkowa Mohra-Knudsena. Uzyskane tą metodą wyniki zawartości jonów
chlorowcowych przelicza się na zasolenie (za pomocą empirycznego równania
Knudsena). Metody laboratoryjne oznaczania zasolenia wody morskiej, mimo Ŝe
bardzo dokładne są dość uciąŜliwe i pracochłonne. Nowoczesne metody pomiaru
zasolenia opierają się na pomiarach przewodności wody morskiej. Przewodność
wody morskiej zaleŜy od zasolenia i temperatury oraz w mniejszym stopniu od
zawartości tlenu, azotu dwutlenku węgla i ciśnienia. Ustalono Ŝe dla większości
praktycznych zastosowań zaleŜność: przewodność, zasolenie, temperatura jest
jednolita dla wszystkich mórz. Dlatego pomiary zasolenia podczas rejsów statkó2.
oceanograficznych wykonuje się jednocześnie z pomiarami temperatury za pomocą
sond STD. Sondy STD są wykorzystywane do wykonywania szybkich sondaŜy
pionowych przebiegów temperatury i zasolenia wody w funkcji głębokości.
Miareczkowanie pobranych próbek wody morskiej zastąpiono szybkimi pomiarami za
pomocą salinometrów konduktometrycznych lub indukcyjnych. W oparciu o
doświadczenia pomiarów przewodności wytwarzane są współcześnie nowoczesne
czujniki zasolenia z automatyczną kompensacją temperatury oparte o jedną z tych
metod: metodę konduktometryczna z układem elektrod lub metodę indukcyjną opartą
na porównaniu napięcia na wyjściu czujnika transformatorowego z napięciem
wzorcowym. Obie metody są precyzyjne o ile przestrzega się okresowych kalibracji i
czyszczenia czujników oraz elektrod w czujnikach konduktometrycznych oraz
zapewnienie przepływu wody wokół czujnika. Inne metody pomiarowe:
areometryczna, refraktometryczna są juŜ rzadko wykorzystywane. Metoda
polarograficzna wykorzystująca zaleŜność siły elektromotorycznej ogniw
galwanicznych od koncentracji jonów w roztworach ma duŜy potencjał rozwojowy.
Pomiary ilości rozpuszczonego tlenu
Ilość rozpuszczonego tlenu w wodzie stanowi bardzo waŜną informację dla
badań biologicznych i monitoringu środowiska wodnego. Poziom rozpuszczonego
tlenu jest dobrym wskaźnikiem zanieczyszczenia środowiska morskiego względnie
rzecznego. Z uwagi na rosnące zapotrzebowanie na informacje bieŜące o stanie
zanieczyszczenia środowiska morskiego, szczególnie w obszarach przybrzeŜnych,
często intensywnie wykorzystywanych gospodarczo, zachodzi potrzeba ciągłego
mierzenia ilości tlenu w określonym miejscu.
Jeszcze kilkadziesiąt lat temu zawartość rozpuszczonego tlenu mogła być
mierzona wyłącznie za pomocą metody miareczkowania odpowiednio
przygotowanych próbek wody (metoda Winklera). Metoda Winklera jest bardzo
uciąŜliwa, wymaga dobrze wyszkolonego personelu oraz krótkiego czasu pomiędzy
pobraniem próbek, a ich oznaczeniem ze względu na ryzyko zmian zawartości tlenu
w przygotowanych do analizy próbkach.
Przełomem były czujniki potencjometryczne wykorzystujące sztuczne
jonoselektywne membrany oddzielające wewnętrzny roztwór czujnika z elektrodą
porównawczą tzw. komora Clarka – ogniwo elektrochemiczne Clarka. Ogniwo to
składa się z platynowej katody, srebrnej anody i platynowej katody pomocniczej. Na
tez zespół elektrod zakładana jest jonoselektywna membrana, a elektrody
umieszczone są w roztworze KCl/AgCl. Na elektrody podawane jest odpowiednio
wysokie i stałe napięcie polaryzacyjne. ZuŜycie tlenu w ogniwie pomiarowym
doprowadza do róŜnicy koncentracji na membranie i tlen zawarty w otaczającym
środowisku dyfunduje poprzez membranę do ogniwa pomiarowego i tam zostaje
natychmiast depolaryzowany. Prąd depolaryzacyjny ogniwa Clarka staje się
bezpośrednią miarą ilości tlenu zawartego w środowisku. Nowsze wersje sond
opartych na tej zasadzie pomiaru tlenu rozpuszczonego nie wymagają stosowania
prądu polaryzacyjnego. Sondy tego typu mierzą ciśnienie cząsteczkowe tlenu
obecnego na zewnątrz membrany (wewnątrz sondy nie ma tlenu). KaŜda cząsteczka
tlenu która przenika do wnętrza sondy uczestniczy w reakcji chemicznej, która
transferuje elektrony z anody do katody, generując prąd elektryczny proporcjonalny
do ciśnienia cząsteczkowego tlenu w środowisku na zewnątrz sondy. Prąd ten jest
zamieniany na napięcie. Aby sonda podawała rzeczywiste wartości stęŜenia tlenu
naleŜy sondę skalibrować czyli ustalić napięcia odpowiadające znanym stęŜeniom
tlenu np. w powietrzu. Poza kalibracją naleŜy okresowo czyścić membranę,
szczególnie kontakt membrany z substancjami ropopochodnymi powoduje zaniŜenie
wyników pomiarów. Kolejną czynnością serwisu powinna być wymiana elektrolitu i po
zauwaŜeniu śladów zuŜycia wymiana anody. Wady sond membranowych to
nieuniknione zuŜycie anody oraz elektrolitu podczas eksploatacji oraz moŜliwość
zanieczyszczenia lub uszkodzenia samej membrany. Procesy te prowadzą do dryfu
wartości pomiarowych i powodują uzyskiwanie zaniŜonych wyników zawartości tlenu.
Nowoczesne konstrukcje zapewniają kilkuletnią trwałość anody, praktycznie taki sam
okres trwałości elektrolitu. Największą niewiadomą są zanieczyszczenia membrany.
Kolejnym mankamentem tego typu sond jest konieczność wymuszonego napływu
wody gdyŜ działanie czujnika zubaŜa wodę na zewnątrz membrany. Z tym
zjawiskiem konstruktorzy poradzili sobie bardzo szybko poprzez zastosowanie
wibratorów ultradźwiękowych.
W 2003 roku pojawiła się po raz pierwszy sonda LDO (Luminescent Dissolved
Oxygen) mierząca stęŜenie tlenu w wodzie za pomocą metody optycznej. Sondy tego
typu bazują na zjawisku luminescencji i do pomiaru stęŜenia tlenu za pomocą czasu
świecenia luminoforu. Przy odpowiednim doborze luminoforu i długości światła
wzbudzającego, zarówno intensywność, jak równieŜ zanik promieniowania w czasie,
jest zaleŜny od stęŜenia tlenu otaczającego sondę LDO. Sonda tego typu
wykorzystuje pulsacyjne niebieskie promieniowanie wzbudzające i łatwo mierzalne
czerwone światło luminescencyjne. Te krótkie impulsy o duŜej energii powodują w
sumie niewielkie zuŜycie luminoforu i nasadki czujników w normalnym środowisku
wytrzymują okres znacznie dłuŜszy niŜ dwa lata. Ciągła kalibracja czujnika odbywa
się za pomocą czerwonej diody referencyjnej. Przed kaŜdym pomiarem wysyła ona
promień światła o znanej charakterystyce, który odbija się od luminoforu i jest
mierzona przez układ optyczny sondy w ten sam sposób jak promieniowanie
luminescencyjne. Czułość czujników optycznych typu LDO wzrasta w miarę spadku
stęŜenia tlenu. Serwis tego typu urządzeń sprowadza się do ich do wymiany nasadki
czujnika co dwa lata lub rzadziej ze względu na zuŜywanie się luminoforu oraz
wyjątkowo czyszczenie sondy. MoŜna to podsumować Ŝe przy tym rodzaju czujnika
prace serwisowe i konserwacyjne zostały znacznie ograniczone w stosunku do sond
membranowych Luminofor czujnika jest odporny na siarkowodór i wiele innych
chemikaliów występujących np. w oczyszczalniach ścieków .
Czujników do pomiarów innych parametrów środowiskowych nie opisuję gdyŜ stosuje
się przy ich budowie najczęściej specjalne membrany – do pomiaru koncentracji:
amoniaku, utlenionego azotu, chlorków, twardości wody, fosfornanów,
specjalizowane układy optyczne - przy pomiarach: zmętnienia, zawartości substancji
organicznej, chlorofilu, węgla organicznego itp. Czujniki te mają wady i zalety które
opisane zostały szczegółowo przy opisie czujników do pomiaru tlenu i zasolenia.