Мониторинг морского дна играет важную роль в улучшении нашего понимания геологических, океанографических и климатологических изменений. Новый подход, используемый Бременским университетом, проводит точные долгосрочные измерения давления на морском дне. Центральный элемент - преобразователь давления, разработанный специально для этой цели компанией KELLER.
Внутри нашей планеты действуют силы, которые формируют горы и континенты. Время от времени накопившиеся силы природы внезапно высвобождаются, что приводит к землетрясениям и извержениям вулканов. Мониторинг магматической и гидротермальной активности в земной коре помогает ученым понять эти подземные процессы. Полученные знания проясняют ряд вопросов. Понимание движения тектонических плит помогает ученым оценить риск землетрясений и цунами и проанализировать жизненные циклы глубоководных экосистем вблизи срединно-океанических хребтов и островных вулканов. Данные используются для оценки последствий изменения климата, таких как изменение уровня моря и океанических течений, а также для мониторинга операций по добыче подводного сырья.
Землетрясение с последующим цунами приносит смерть и разрушения (Палу, Индонезия, сентябрь 2018 года)
Всесторонний мониторинг требует огромного количества данных, собранных измерительными станциями - и данных, собранных из космоса. На суше существуют отработанные процессы и сеть мониторинговых станций, в том числе с датчиками давления. Однако, большая часть поверхности Земли покрыта океанами, что усложняет установку и эксплуатацию измерительного оборудования. Данные из морских глубин скудны и менее точны. Есть и другие методы, которые можно использовать в океанах. Например, измерение давления воды на морское дно позволяет рассчитать расстояние до поверхности океана. Это, в свою очередь, позволяет независимо от исходных позиций определить, поднялось или опустилось морское дно в конкретной точке.
Доктор Ханс-Герман Геннерих хорошо знаком с изменениями давления на морском дне. Он работает на факультете геонаук в Бременском университете, где отвечает за морские технологии и сенсорные системы. Он уже разработал и испытал прототипы двух устройств для измерения изменений давления на морском дне. Эти устройства известны как OBPs (измерители давления на дне океана).
ДОКТОР ГАНС-ГЕРМАН ГЕННЕРИХ
Факультет геонаук
Бременский университет
«Благодаря компании KELLER, я нашел партнера, обладающего технологиями и опытом, необходимыми для реализации моих специфических требований к преобразователю давления, который использован в проекте».
В ходе проектов собрали ценные данные. Однако, было много источников помех, таких как приливы и отливы и общее волнение. Тем не менее, большинство из них можно было устранить путем согласования соответствующих данных с другими измерениями с буев и спутников.
Наблюдаемая разница давления, обусловленная движением морского дна, в миллионы раз меньше, чем преобладающее атмосферное давление на глубине нескольких километров под водой. Это означает, что измерительное устройство для абсолютного давления требует совершенной степени долговременной стабильности, чтобы отличить искомый сигнал долговременного измерения от дрейфа нуля. Поэтому для следующего поколения измерительных устройств OBP доктор Геннерих применил другой подход, регистрируя только изменение давления во времени, вместо измерения столба воды над морским дном. Дрейф нуля пропорционален общему диапазону измерения датчика, помехи, вызванные этим фактором, могут быть уменьшены в тысячу раз при использовании этого метода с низким диапазоном измерения. Это делает долговременный сигнал однозначно обнаруживаемым.
Структура измерительного устройства OBP с эталонным баком, преобразователем дифференциального давления и регистратором данных.
Новый прототип измерительного прибора построен следующим образом (см. рисунок 2): Один из патрубков преобразователя дифференциального давления соединен непосредственно с морем вокруг него, а другой ведет в эталонный резервуар. Резервуар также может быть открыт для внешней среды через клапан. При погружении или извлечении OBP клапан держат открытым, чтобы давление с обеих сторон всегда было одинаковым и чувствительный датчик не был поврежден. Как только измерительное оборудование достигает морского дна, клапан закрывается. Теперь содержимое резервуара находится под точно таким же давлением, как и в начале измерения (P1). Если давление окружающей среды (P2) изменяется, датчик регистрирует разницу. Отклонения давления в эталонном резервуаре, вызванные температурным расширением материала, компенсируются с помощью точно рассчитанного объема кварцевого стекла. Кроме того, измеряется температура для последующего математического расчета остаточного отклонения. Данные измерений фиксируются с помощью регистратора данных. Во время проведения измерений система в любой момент может перекалиброваться путем открытия клапана и повторного измерения нулевой точки. Таким образом, любой сдвиг сигнала может быть обнаружен и компенсирован позже при оценке данных. Такая конструкция позволяет измерять изменения давления воды на уровне морского дна с максимальной точностью и почти без погрешностей измерения в течение длительных периодов времени.
Для этой цели подходят пьезорезистивные ячейки для измерения давления, к которым давление прикладывается с обеих сторон. При приложении давления к обеим сторонам одной и той же мембраны часть эффекта давления нивелируется, и остается только разница. Это относится как к измеряемому значению, так и к (односторонней) деформации кремниевой мембраны. Структура кристаллической решетки кремния чрезвычайно устойчива к давлению, приложенному равномерно с обеих сторон, даже в пределах тонких стенок, как это требуется для высокочувствительных измерительных ячеек.
Внутреннее устройство преобразователя дифференциального давления
Сложная измерительная система прототипа OBP требует надежных и точных преобразователей. Преобразователи дифференциального давления PD-23 компании KELLER отвечают всем требованиям, предъявляемым к прибору, и поэтому подходят для данного применения. Они измеряют разность давлений на одной кремниевой мембране, которая с каждой стороны отделена от измеряемой среды металлической мембраной, и передают результат в температурно-компенсированном и стандартизированном виде на регистратор данных. Для проекта была разработана конструкция, соответствующая требованиям заказчика: Преобразователь рассчитан на давление в линии до 600 бар, что соответствует глубине моря 6000 м. При этом можно измерять разницу давления с точностью менее одной тысячной бар. Специально разработанные для использования на морском дне детали, контактирующие с измеряемой средой, изготовлены из сплава Хастеллоя C-276 для предотвращения коррозионного повреждения соленой морской водой. Кроме того, по запросу заказчика присоединения к процессу расширены двумя трубами, так что преобразователь вписывается в конструкцию.
3D CAD-иллюстрация изготовленного на заказ преобразователя дифференциального давления
Новые приборы для морской геологии будут иметь успех, в немалой степени благодаря тесному сотрудничеству между разработчиками преобразователей и командой доктора Геннериха в Бременском университете. В компании KELLER гордятся тем, что смогли внести свой вклад в науку. Мы желаем доктору Геннериху и другим исследователям больших успехов в дальнейшей работе. Благодаря упорному труду, мы скоро будем лучше понимать элементарные силы природы, а также сможем точнее предсказывать их поведение.
