Способ измерения температуры жидкосодержащих пористых сред

Изобретение относится к геофизике и экологии и может быть использовано для бесконтактного способа измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, преимущественно грунтов, почв и донных осадков, а также для измерения температуры в технологических процессах. Изобретение не требует внедрения излучателей и/или приемников непосредственно в измеряемую среду и осуществляется за счет использования зависимости длительности объемного обратного рассеяния звука в среде от ее температуры. Согласно изобретению осуществляют излучение акустического сигнала в измеряемую среду с периодичностью, длительностью, частотой заполнения, мощностью, диаграммой направленности, определяемыми характеристиками среды и условиями измерения, прием сигнала обратного рассеяния звука, измерение длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в среде и определение температуры в объеме среды по предварительно эмпирически определенной зависимости. Для осуществления способа предлагается использовать эхолот. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к геофизике и экологии и может быть использовано для бесконтактного способа измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, преимущественно грунтов, почв и донных осадков, а также для измерения температуры в технологических процессах.

Знание температуры жидкосодержащих пористых сред, к которым относятся грунты, почвы и донные осадки, необходимо, например, при производстве строительных работ, прокладке трубопроводов. Активно обсуждаются вопросы глобального изменения климата и его возможные последствия, связанные с удвоением концентрации СО₂ в земной атмосфере к концу столетия, что приведет к увеличению средней температуры поверхности Земли на 1.5-4°С, то есть к глобальному потеплению, которое в свою очередь может вызвать таяние вечной мерзлоты, распад газогидратов с разгрузкой в атмосферу большого количества углерода в форме метана. Возможность масштабного "растепления" поверхностных слоев почвы в зонах вечной мерзлоты, составляющих около 60% территории России, понизит несущую способность грунтов, что вызовет разрушение строительных и транспортных коммуникаций в этих регионах. Поэтому изучение распределения температуры грунтов и донных осадков является актуальным.

В настоящее время наиболее распространены способы измерения температуры в верхнем слое почвы и донных осадков, основанные на их непосредственном контакте с измерительным датчиком температуры до установления между ними состояния теплового равновесия.

К таким способам относится, например, способ измерения температуры, основанный на тепловом расширении тел: жидкостные стеклянные термометры, в качестве термометрического тела которых чаще всего применяются ртуть и спирт.

Широко используется способ, основанный на зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры с использованием в качестве датчика температуры термоэлектрические преобразователи (термопары). Основная проблема данного способа на базе термопары связана с ее низким выходным напряжением (около 50 мкВ на градус), поскольку синфазные помехи промышленной частоты 50 Гц и радиопомехи, наведенные на элементах измерительной цепи, намного превышают это значение. Поэтому важным становится хорошая экранировка проводов, идущих от термопары к системе сбора данных.

Известен способ измерения температуры, основанный на свойствах проводников и полупроводников изменять свое активное электрическое сопротивление при изменении температуры. Для устойчивой работы устройств, реализующих данный способ, - термометров электрического сопротивления - чувствительный элемент обычно помещают в тонкостенную металлическую гильзу с керамическим порошком и герметизируют.

Известен способ измерения температуры, основанный на известной зависимости давления Р термометрического вещества в замкнутой системе с объемом V=const от температуры Т:PV=RT, где R - универсальная газовая постоянная, реализованный в манометрических термометрах. В зависимости от используемого термометрического вещества выделяют основные три типа манометрических термометров: газовые, в которых система заполнена газом, как правило, инертным; жидкостные, в которых в качестве наполнителя используется жидкость (органические жидкости, редко ртуть); конденсационные, заполненные отчасти низкокипящей жидкостью, отчасти ее насыщенными парами. Структурно все манометрические термометры состоят из замкнутой системы, в которую входят: первичный измерительный преобразователь - термобаллон, соединенный капиллярной трубкой с измерительным преобразователем. Вся система прибора заполнена термоманометрическим веществом. При нагревании термобаллона давление вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Его увеличение воспринимается преобразователем, который воздействует на отсчетное устройство показывающего или самопишущего прибора или на унифицированный стандартный преобразователь с выходным пневматическим или электрическим сигналом.

Все эти способы известны и хорошо изучены: Лариков Н.Н. Теплотехника: Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и дополн. М.: Стройиздат. 1985. 432 с.; Попов М.М. Термометрия и калориметрия. 2 изд. М. 1954; Сосновский А.Г., Столярова Н.И. Измерение температур. М. 1970. Для их осуществления требуется предварительная калибровка, которая проводится стандартным способом по двум или нескольким известным точкам с применением, например, прецизионных термостатов или калибраторов температуры. Существенным недостатком измерения температуры жидкосодержащих пористых сред с помощью перечисленных выше способов является практическая невозможность оперативного мониторинга больших участков территорий.

Известны неконтактные методы измерения температуры любых сред, основанные на законе излучения абсолютного черного тела. Физическая сущность методов основана на хорошо известном факте, что все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля, излучают тепловую энергию. При этом регистрируется либо полная энергия собственного теплового излучения тел (радиометры), либо спектральное распределение теплового излучения, либо яркость собственного излучения объектов (пирометры). Неконтактные методы измерения температуры, основанные на законе излучения оказываются очень полезными в тех случаях, когда либо объект по каким-то причинам недоступен для установки в него контактного термометра или удален от нас (космические объекты, звезды), либо когда необходимо измерять очень высокие температуры и невозможно создать датчик, выдерживающий их.

Известен способ измерения температуры объектов, светящихся в видимой области спектра, например нитей накаливания ламп, пламени, раскаленных предметов и т.п. Способ основан на зависимости яркости свечения от температуры (Рибо Г. Оптическая пирометрия, пер. с франц. М.Л. 1934; Гордов А.Н. Основы пирометрии. 2 изд. М. 1971). В устройстве, которое основано на данном способе, пирометре, оператор фиксирует визуально момент совпадения яркости изображения измеряемого объема и нити накаливания, встроенной в пирометр. Изменяя реостатом ток через нить накаливания, добиваются выравнивания яркости. Этот момент человеческий глаз фиксирует достаточно точно. Прибор градуируется по току, проходящему через реостат. Пирометры существуют не только с визуальной, но и с фотоэлектрической регистрацией.

Недостатком данного способа является то, что пирометром фиксируется температура, несовпадающая с термодинамической, поскольку точное совпадение имеет место только для абсолютного черного тела. Кроме того, яркость объекта и распределение энергии по спектру могут не совпадать с кривой, описываемой законом Планка. Кроме того, данный метод не подходит для измерения температуры грунтов, почв и донных осадков, поскольку из-за их относительно низкой температуры спектр их теплового излучения лежит в инфракрасной области.

Известен способ измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, основанный на измерении полной энергии собственного теплового излучения тел, которая связана с температурой T законом Стефана-Больцмана:

ω=σT⁴,

где ω - объемная плотность энергии; σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная:

σ=5,67·10^-12 Вт·см^-2·К^-4.

В устройстве, которое основано на данном способе, - радиометре - излучение с участка поверхности, температуру которого измеряют, фокусируют обычно с помощью оптической системы на приемнике (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно черного тела и показывающим радиационную температуру Tr. Истинная температура участка поверхности определяется по формуле

где а_T - полный коэффициент поглощения тела. Для осуществления способа производится градуировка радиометра по сигналу от поверхности, температура которой хорошо измерена другими методами.

Для измерения температуры поверхности Земли такие измерители устанавливаются на самолетах и спутниках и производят измерение температуры подстилающей поверхности с достаточной точностью и оперативностью. Например, построенный в Японии радиометр с высоким пространственным разрешением ASTER (http://asterweb.jpl.nasa.gov), который установлен на искусственном спутнике Terra, используется для получения детальных карт температуры поверхности земли. ASTER принимает излучение с участка поверхности Земли размером 60×60 км по 14 независимым каналам в диапазоне от 0,51 до 11,65 мкм. При этом пространственное разрешение радиометра составляет 15-90 км.

Недостатком способа измерения температуры является очевидный факт, что всю энергию излучения в диапазоне длин волн или частот от нуля до бесконечности собрать невозможно. Существенным недостатком этого способа является то, что на практике с его помощью невозможно измерить объемную температуру среды, а измеряется температура только очень тонкого поверхностного слоя. Кроме того, с помощью радиометров невозможно измерить температуру осадков на шельфе из-за сильного поглощения электромагнитных волн диапазона 0,51 до 11,65 мкм морской водой.

Наиболее близким к заявляемому способу является акустический способ измерения, основанный на зависимости скорости распространения акустических волн от температуры. На этом принципе основан способ акустической термометрии, при котором излучают акустический зондирующий сигнал в измеряемую среду с периодичностью, длительностью, частотой заполнения, мощностью и диаграммой направленности определяемыми характеристиками среды и условиями измерения, принимают сигнал и определяют разницу между временем излучения сигнала в среду и временем t его прихода в точку, находящуюся на расстоянии L от излучателя. Скорость звука на трассе определяется как C=L/t. По соответствующим пересчетным формулам по данному значению скорости звука в реальном масштабе времени определяется средняя по трассе температура, например, воды (Burenkov S.V., Gavrilov A.N., Uporin A.Y., Furduev A.V. // Acoust. Soc. Amer. 1994. 96. P.2458) или воздуха (Kudo К. and Mizutani K. Temperature Measurement Using Acoustic Reflectors // Japanese Journal of Applied Physics. Vol.43. No. 5B. 2004. P.3095-3098). Хотя данный способ на практике реализован для жидких и газообразных сред, он работоспособен и в случае измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, в том числе грунтов, почв и донных осадков, поскольку и в этих средах скорость распространения звука также зависит от температуры (Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАЕ, 1998. 515 с). Известный акустический способ относится к контактным, поскольку требуют внедрения излучателей и/или приемников непосредственно в измеряемую среду.

Задача изобретения состоит в разработке способа бесконтактного измерения температуры в объеме жидкосодержащих пористых сред, не требующего внедрения излучателей и/или приемников непосредственно в измеряемую среду, и осуществляется за счет использования обнаруженной заявителем зависимости длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в среде от температуры среды.

Поставленная задача решается способом измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, преимущественно грунтов, почв и донных осадков, включающим излучение акустического сигнала в измеряемую среду с периодичностью, длительностью, частотой заполнения, мощностью и диаграммой направленности определяемыми характеристиками среды и условиями измерения, прием сигнала обратного рассеяния звука, измерение длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в среде и определение температуры в объеме среды по предварительно эмпирически определенной для данной среды зависимости длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука от температуры.

Способ осуществляют следующим образом.

Акустический сигнал излучают в измеряемую среду непосредственно или через звукопроводящую среду. Частота заполнения сигнала определяется исходя из геометрических размеров измерения и акустических характеристик сред (как измеряемой, так и звукопроводящей при измерении температуры на расстоянии). Принимают сигнал обратного рассеяния звука и преобразуют его в электрический сигнал. Определяют длительность сигнала объемного обратного рассеяния звука (ООРЗ) в измеряемой среде, по которой затем определяют значение температуры в объеме измеряемой среды, основываясь на предварительно определенной эмпирической калибровочной зависимости длительности сигнала ООРЗ в измеряемой среде от температуры. Для определения калибровочной зависимости производится серия измерений длительности сигнала ООРЗ в данной или сходной с ней среде от температуры в интересующем диапазоне температур с измерением температуры среды традиционными способами (например, с использованием стандартных контактных термометров).

В общем случае для получения эмпирической зависимости для конкретного вида пористых жидкосодержащих сред проводят стандартную калибровку конкретной установки, включающую следующие шаги.

- Обеспечивают акустический контакт между средой и преобразователем установки. Этот контакт может быть непосредственным либо через любое прозрачное для акустических волн вещество.

- Включают установку в обычном рабочем режиме. При этом в среду излучают акустические импульсы.

- С помощью обычных контактных датчиков температуры, расположенных в объеме среды, измеряют среднюю температуру. Величина объема среды определяется объемом, который «подсвечивается» акустическими импульсами и из которого следует ожидать прихода эхосигнала обратного рассеяния.

- Изменяя температуру среды в интересующем диапазоне температур, производят серию измерений «температура» - «длительность сигнала ООРЗ».

- Полученное множество точек или построенный по данным точкам тренд и является полученной (калибровочной) зависимостью «длительности» от температуры.

Эта стандартная схема получения эмпирической зависимости приводится практически во всех учебниках по термометрии, в том числе: Температура и ее измерение. Сб., пер. с англ., М., 1960; Сосновский А.Г., Столярова Н.И., Измерение температур, М., 1970.

После выполнения всех этих шагов данная установка считается откалиброванной и готова для измерения температуры конкретного вида жидкосодержащей пористой среды заявленным способом. В дальнейшем при измерении температуры используют полученную эмпирическую зависимость.

Конкретные рабочие характеристики излучения акустического зондирующего сигнала определяются так же, как и в прототипе, исходя из общих известных акустических закономерностей, а именно частота, длительность, мощность, диаграмма направленности, периодичность определяются измеряемой и звукопроводящей средами и условиями измерений. Например, в случае измерения с поверхности моря температуры верхнего слоя донных осадков при глубине дна 500 м частота заполнения акустического зондирующего сигнала должна быть не выше 100 кГц из-за сильного поглощения более высокочастотных ультразвуковых волн в морской воде. С другой стороны, если требуется измерить температуру в диапазоне от -1 до +1°С верхнего слоя грунтов, почв или донных осадков толщиной порядка нескольких метров, то частота заполнения должна быть не выше 500 кГц, поскольку иначе глубина проникновения акустических волн в измеряемую среду будет существенно меньше, и не ниже 10-30 кГц, поскольку при этом глубина проникновения будет значительно больше. Для единичного измерения температуры достаточно излучить один сигнал. Периодическое излучение зондирующих сигналов необходимо, например, для изучения временной или пространственной изменчивости температуры, а также для повышения точности измерения температуры с целью увеличения соотношения сигнал/шум. Период и длительность зондирующих сигналов выбираются из условия, чтобы зондирующие сигналы не накладывались на сигнал ООРЗ в измеряемой среде.

Способ основан на впервые теоретически обоснованной авторами для любых пористых жидкосодержащих сред и эмпирически полученной авторами для донных осадков зависимости длительности сигнала ООРЗ в этих средах от температуры. Данная зависимость может быть объяснена исходя из общих физических представлений. Длительность сигнала ООРЗ зависит от уровня рассеяния на неоднородностях жидкосодержащих пористых сред и поглощения звука в них. Известно, что поглощение звука в жидкосодержащей пористой среде резко уменьшается при замерзании жидкости (Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАЕ, 1998. 515 с.). Это связано с тем, что в пористых средах, содержащих в порах жидкость, что характерно, например, для практически любых грунтов, почв и донных осадков, при постепенном переходе температуры из положительной в отрицательную области, изменяется фазовое состояние находящейся в порах жидкости, которая переходит первоначально в жидкокристаллическое, а затем в кристаллическое состояние. При таком переходе коэффициент поглощения ультразвуковых волн постепенно уменьшается. Изменение температуры приводит к перераспределению фазового состава. При положительных температурах замерзшая жидкость отсутствует. При этом процентное отношение количества жидкости в жидком и жидкокристаллическом состояниях определяется температурой и пористостью скелета породы. При относительно высоких температурах практически вся жидкость будет находиться в жидком состоянии. При уменьшении температуры и переходе через точку замерзания жидкости в среде появляется замерзшая жидкость (лед). Ее процентное отношение при уменьшении температуры постепенно увеличивается. Однако даже при достаточно низких температурах в порах сохраняется некоторое количество незамерзшей жидкости, которая распределяется в граничных зонах пор между зернами скелета и льда, а также в межзерновых зонах поликристаллического льда. Ее содержание может варьироваться в зависимости от степени дисперсности и минерального состава скелета, концентрации и ионного состава порового раствора, напряженно-деформированного состояния породы и других факторов. Изменение фазового состава жидкости оказывает наибольшее влияние на механические свойства среды, в частности на распространение и поглощение ультразвуковых волн (Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАЕ, 1998. 515 с.).

Часто измеряемая среда является слоистой, то есть такой, у которой можно выделить направление с минимальной изменчивостью параметров, в то время как в перпендикулярном направлении изменчивость параметров максимальна, при этом максимальная изменчивость происходит в относительно тонком слое на границе раздела соседних квазиоднородных слоев. При такой слоистой структуре, которую, как правило, имеют грунты, почвы и донные осадки, уровень ООРЗ определяется скачком импеданса и отношением характерных масштабов поверхности раздела между соседними квазиоднородными слоями в среде к длине акустической волны (Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. М.: Мир. 1980. 580 с.). Характерными масштабами являются толщина слоя раздела и среднеквадратичная высота неровностей поверхности данного слоя. Из-за увеличения скорости звука при замораживании среды длина акустической волны будет увеличиваться, а рассеяние от слоистой структуры возрастать, приводя к увеличению чувствительности способа.

Поэтому при замерзании длительность сигнала ООРЗ в жидкосодержащих пористых средах будет увеличиваться из-за уменьшения поглощения. При замерзании жидкосодержащих пористых слоистых сред, к каким относится большинство грунтов, почв и донных осадков, длительность сигнала ООРЗ будет увеличиваться как из-за уменьшения поглощения, так и из-за увеличения рассеяния от слоистой структуры, что приведет к увеличению чувствительности способа.

Предложенный способ измерения температуры в жидкосодержащих пористых средах будет работать при температурах, пока происходят фазовые превращения жидкости. Наиболее хорошо способ будет работать в диапазоне температур, при которых максимальна скорость фазовых переходов состояний жидкое-жидкокристаллическое-кристаллическое. В реальном случае измерения температуры грунтов, почв и донных осадков, когда поровой жидкостью является солевой раствор воды, этот диапазон составляет от -10 до +2°С.

Для осуществления заявляемого способа проводят стандартную калибровку используемого устройства для измеряемой или сходной с ней среды с целью получения калибровочной зависимости. Обычно выполняют несколько измерений с различными значениями температуры измеряемой среды в предполагаемом диапазоне температур. Например, для температуры Т верхнего слоя донных осадков эмпирически определенная калибровочная зависимость от длительности сигнала ООРЗ D в диапазоне температур от -2 до +2°С описывается уравнением:

T=K₁lnK₂D,

где K₁ и К₂ - определяемые при калибровке коэффициенты, зависящие от конкретных рабочих характеристик измерителя. Для обеспечения наибольшей точности калибровки желательно, чтобы значения температуры осадков находились в области противоположных граничных значений, предполагаемых для дальнейшего измерения температур.

Коэффициенты определяют следующим образом. Сначала для каждой частоты на график с координатами «температура» и «длительность сигнала ООРЗ» наносят все экспериментально полученные точки. Затем стандартным образом, используя известные методы статистического анализа и обработки, строится тренд, описывающий эмпирическую зависимость и затем любыми известными методами статистической обработки (например, в пакетах Excel, Matlab, Statistica и многих других) определяют значения коэффициентов К1 и К2, при которых величина среднеквадратичного отклонения значений тренда от экспериментальных значений будет минимальной.

Способ применим для дистанционного определения температуры в объеме любых пористых жидкосодержащих сред как в стационарных, так и в нестационарных условиях, при этом интервал измеряемой температуры определяется интервалом фазовых превращений заполняющей поры жидкости от точки начала образования жидкокристаллической фазы до полного замерзания жидкости в порах.

Для измерения длительности сигнала обратного рассеивания звука может быть применен эхолот - гидроакустический прибор для измерения глубин моря, имеющий стандартную структурную схему, включающую генератор, электроакустический преобразователь, усилитель и регистрирующее устройство (Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография. М.: Мир. 1980. 580 с.). Принцип работы эхолота основан на том, что акустический сигнал распространяется в воде с определенной скоростью, которую с достаточной точностью можно считать постоянной, при этом измеряют время между излучением звукового сигнала с поверхности моря и приемом отраженного от дна сигнала. На фиг.1 отображен характерный для стандартных эхолотов сигнал, являющийся огибающей сигнала обратного рассеяния. В момент времени t₀ выделяется находящийся в ограничении сигнал излучения, а в момент времени t₁ - отраженный сигнал от верхнего слоя донных осадков. При измерении глубины дна определяется длительность t₁-t₀. Глубина дна определяется умножением 1/2 данной величины на скорость звука в воде (около 1500 м/с). При использовании эхолота для определения температуры донных осадков определяют не длительность t₁-t₀, а длительность D огибающей сигнала объемного обратного рассеяния от верхнего слоя донных осадков (фиг.1). Температура определяется по предварительно определенной зависимости Т от D с учетом калибровки. При такой калибровке эхолота он показывает определенное значение температуры верхнего слоя донных осадков, например, непосредственно на экране монитора либо выводит его на регистратор.

Таким образом, эхолот без конструктивных изменений может быть использован для определения толщины звукорассеивающего слоя жидкосодержащих пористых сред, которую затем известными способами можно перевести в температуру, используя предварительно эмпирически определенную зависимость или таблицу.

Заявляемый способ был испытан в рейсе НИС "Николай Каломейцев" на 57 станциях, расположенных на шельфе Арктики, на частотах 50 и 200 кГц для измерения температуры донных осадков. Для осуществления способа использовали эхолот FURUNO, который представлял из себя автономную двухчастотную систему и состоял из бортового блока, в котором размещались генератор акустических сигналов, усилитель принимаемых сигналов, устройство регистрации, отображения и обработки на базе персонального компьютера, и погружаемого устройства с установленными на нем электроакустическими преобразователями с рабочими частотами 50 и 200 кГц, соединенными с бортовым блоком с помощью гибкого кабеля. Генератор сигналов вырабатывал сигналы длительностью 1 мс с частотой заполнения 50 и 200 кГц. В качестве преобразователей использовались дисковые пьезокерамические преобразователи с полушириной диаграммы направленности для 50 кГц - 12° и для частоты 200 кГц - 2,3°. Измерение производилось в дрейфе судна. Погружаемое устройство помещались на глубину около 2-3 м, ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Длительность сигнала ООРЗ в верхнем слое донных осадков определялась визуально по экрану монитора и программно с помощью компьютера. Температура верхнего слоя донных осадков определялась по экспериментально определенной калибровочной зависимости длительности сигнала ООРЗ от температуры.

Для определения калибровочной зависимости длительности сигнала ООРЗ в верхнем слое донных осадков от температуры предварительно было выполнено 55 станций на различных участках мелководного шельфа моря Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей. Глубина дна изменялась от 5 до 100 м. Одновременно измерялась температура верхнего слоя донных осадков. Для этого использовался зонд в виде металлического стержня длиной 1.5 м с четырьмя откалиброванными датчиками температуры на основе термопары, расположенными на расстоянии 50 см друг от друга. Глубина вхождения зонда в осадки составляла в среднем 1 м. На станциях проводилось исследование также гранулометрического состава осадков. Для этого осадки поднимали на поверхность с помощью драги.

Измерения показали, что длительность сигнала ООРЗ в верхнем слое донных осадков на обеих частотах не зависит от гранулометрического состава осадков, а зависит только от их температуры (фиг.2) и в среднем увеличивается с уменьшением температуры. На фиг.2 треугольными (50 кГц) и квадратными значками (200 кГц) показаны значения длительности ООРЗ, осредненные в интервалах температур -1,75±0,25°С; -1,25±0,25°С; -0,75±0,25°С; -0,25±0,25°С; 0,25±0,25°С; 0,75±0,25°С; 1,25±0,25°С; 1,75±0,25°С; 2,25±0,25°С; 2,75±0,25°С; 3,25±0,25°С. Для каждой частоты нанесены линии тренда, которые описываются уравнениями:

D=13,3е^-0,63Т (линия 1),

D=7,1е^-0,47Т (линия 2)

для 50 и 200 кГц соответственно, где D - длительность сигнала ООРЗ в осадке в миллисекундах (мс), Г - температура в осадке, °С. При этом различие между средними значениями длительности сигнала ООРЗ для положительных и отрицательных значений температуры дна согласно Т-тесту Стьюдента является существенным с вероятностью больше 0.999 для обеих частот. Для определения температуры Т по длительности D используется обратная зависимость:

T=K₁lnK₂D,

где коэффициенты К₁=-1,6; К₂=0,075 для частоты 50 кГц и К₁=-2,1; К₂=0,14 для частоты 200 кГц.

Работоспособность эхолота как устройства для измерения длительности сигнала обратного рассеивания и последующего определения по этой величине температуры была проверена на двух разнесенных станциях. Глубина дна в первом случае составила 12 м, во втором - 15 м. На станциях с помощью электроакустических преобразователей эхолота FURUNO, размещенных на глубине около 2 м излучали акустические сигналы последовательно на 50 и затем на 200 кГц. С помощью тех же преобразователей принимали сигнал обратного рассеяния и измеряли длительность сигнала ООРЗ от верхнего слоя донных осадков. Температура осадков определялась по длительности сигнала ООРЗ в осадке с помощью полученной выше калибровочной зависимости. Для частоты 50 кГц она составила +0,64°С для первой станции и -1,28°С для второй станции. Для частоты 200 кГц она составила +0,48°С для первой станции и -1,44°С для второй станции. Реальная температура осадков, измеренная с помощью описанного выше зонда, составила +0,51°С и -1,48°С для первой и второй станции соответственно. Видно, что реальные значения температуры хорошо согласуются с полученными заявляемым акустическим способом данными.

Для данных донных осадков, как видно из вышеприведенных формул, длительность сигнала ООРЗ экспоненциально зависит от температуры. Для произвольных пористых жидкосодержащих сред эмпирически определенная зависимость длительности сигнала ООРЗ от температуры может отличаться от экспоненциальной. Однако в любом случае, и это следует из приведенных теоретических рассуждении, в интервале температур, в котором происходит перераспределение фазового состава жидкости в порах, длительность сигнала ООРЗ будет монотонно увеличиваться при уменьшении температуры. Единственным требованием является наличие в них достаточного количества жидкости.

Наиболее чувствительным данный метод будет для измерения температур во влагосодержащих средах в диапазоне от нескольких градусов, когда значительное количество влаги находится в жидкокристаллическом состоянии, до отрицательных температур, при которых практически вся влага перейдет в кристаллическое состояние. Например, для различных типов влагосодержащих сред, в том числе грунтов, почв и донных осадков, значение этой температуры составляет -15±5°С.

Для измерения температуры в осадках с поверхности моря на мелководном шельфе значения данных параметров могут быть следующими: период излучений зондирующих сигналов от 0,3 до 2 с; длительность зондирующего сигнала от 0,5 до 3 мс; частота заполнения от 10 кГц до 500 кГц.

1. Способ измерения температуры жидкосодержащих пористых сред, преимущественно грунтов, почв и донных осадков, включающий излучение акустического зондирующего сигнала в измеряемую среду с периодичностью, длительностью, частотой заполнения, мощностью и диаграммой направленности, определяемыми характеристиками среды и условиями измерения, прием сигнала и определение температуры, отличающийся тем, что принимают сигнал обратного рассеяния звука, измеряют длительность сигнала объемного обратного рассеяния звука, а определение температуры осуществляют по эмпирически определенной зависимости длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в измеряемой среде от ее температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для измерения температуры донных осадков эмпирически определенная зависимость длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в среде от температуры описывается уравнением T=K₁lnK₂D, где Т - температура, D - длительность сигнала, K₁ и К₂ - коэффициенты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота заполнения зондирующего сигнала определяется из условия, чтобы длительность сигнала объемного обратного рассеяния звука в измеряемой среде в измеряемом диапазоне температур соответствовала заданному интервалу значений геометрических размеров объема в измеряемой среде, в котором определяется температура.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что период излучения зондирующих сигналов должен быть больше суммы длительности сигнала объемного обратного рассеяния звука в измеряемой среде в измеряемом диапазоне температур и длительности зондирующих сигналов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что период и длительность зондирующих сигналов выбираются из условия, чтобы зондирующие сигналы не накладывались на сигнал объемного обратного рассеяния звука в измеряемой среде.