Измерение глубины погружения датчиком

Вы делаете это неправильно: расчет глубины

Приветствую вас, глубокоуважаемые!

Что если я скажу, что глубина, что бы вы под ней не подразумевали, является одной из самых сложных для точного измерения величин? На какой глубине плывет подводная лодка? Какая глубина марианской впадины? На какой глубине лежит Титаник? Если вам не повезет с параметрами, то на первом километре глубины, вы можете ошибиться примерно на 30-40 метров и на 200-300 метров на 6-ом километре, используя датчик давления. Если вы предпочитаете эхолот, то при неудачном стечении обстоятельств, которые вы не учли, ошибка на первом километре составит метров 100, а на 6-ом — целый километр. Конечно, можно еще использовать длинную веревку… Но там, как известно, свои подводные камни.

Как такое могло случиться и как делать правильно я расскажу под катом. В довесок к статье есть Open-source библиотека на C#/C/Rust/Matlab/Octave/JavaScript и пара онлайн-калькуляторов для демонстрации.

Статья будет полезна разработчикам подводной техники, число которых за последние лет пять выросло в разы.

Итак, для начала сразу оговоримся, что глубиной часто называют две разных величины:

и расстояние по вертикали от поверхности воды до точки, где эту глубину измеряют,
и расстояние по вертикали от поверхности воды до дна.

В первом случае — это глубина погружения, а во втором — глубина места.

Есть ровно два с половиной фундаментальных способа изменения этих величин, как я уже упомянул:

по гидростатическому давлению столба жидкости, т.е. при помощи датчика давления;
по времени распространения звука — эхолотом
по длине выпущенной за борт веревки =)

С веревкой все понятно, а с остальными двумя давайте разберемся. Сегодня разберем:

Способ 1 — По давлению столба жидкости

Из нее легко посчитать высоту столба жидкости (т.е. глубину в нашем случае), не забывая про атмосферное давление :

На «100» умножаем, если хотим получить глубину в метрах, измеряем давление в миллибарах, плотность воды в кг/м^3, а ускорение свободного падения в м/c^2.

Давайте абстрагируемся от точности конкретных приборов, пусть даже они у нас суперточные.
Проблема в том, что никакой член формулы не является константой. Даже атмосферное давление может меняться в течение часа.

Как влияет атмосферное давление?

Давление у поверхности моря может варьироваться в пределах 641-816 мм. рт. ст., или, тоже самое в миллибарах: от 855 до 1087. Если просто взять за стандартное значение в 1013.25 мБар, то в зависимости от погоды уже можно получить ошибку в 40-50 сантиметров, причем, как в «плюс», так и в «минус».

Что с ускорением свободного падения?

Боюсь показаться Кэпом, но все же напомню, что земля у нас ~~плоская~~ вращается, и за счет центробежной силы притягивает на экваторе слабее, чем на полюсах.

Если не крохоборничать и не учитывать гравитационные аномалии из-за разной плотности земных пород, гор, впадин, изменения скорости вращения земли от сброшенной земными деревьями листвы и перемещениями соков по их стволам, то нас вполне устроит стандартная зависимость ускорения свободного падения от георафической широты. Т.н WGS-84 Gravity formula.

Согласно этой формуле, ускорение свободного падения меняется от 9.7803 м/с2 на экваторе (0° градусов широты) до 9.8322 м/с2 на полюсах (90/-90° широты).

Допустим, мы возьмем стандартное значение ускорения свободного падения 9.80665 м/с2, на сколько мы ошибемся в худшем случае?

Это иллюстрируетя картинкой ниже. На ней синий график показывает ошибку определения глубины на экваторе, если мы будем использовать стандартное значение , а оранжевый график — такую же ошибку на полюсах.

То есть, если мы подставим в формулу стандартное значение и пойдем погружаться где-то ближе к экватору, то на 100 метрах ошибемся всего на 20-30 сантиметров, на километре — на 2,5-3 метра, а на 9-10 километрах (Бездна Челленжера, кстати, находится на 11° северной широты) ошибка будет уже 25-30 метров. Т.е. реальная глубина будет больше, чем та, которую мы измерим.

А как влияет плотность воды?

Самым нехорошим образом. Если два первых компонента погрешности учесть достаточно просто, да и вклад их весьма скромен, то с плотностью воды история более замысловатая.

Дело в том, что плотность воды в упрощенном случае есть функция температуры, давления и солености.

То есть мало измерять давление, атмосферное давление, учитывать географическую широту места. Нужно еще знать температуру и соленость воды.

Для определения плотности морской воды в (разумном) диапазоне условий на практике наиболее широко применяется формула из работы Чена и Миллеро (Да, ЮНЕСКО занимается еще и этим!)

Допустим, мы измерили и температуру и соленость, но остается сжимаемость воды — изменение плотности с давлением (т.е. с глубиной), и чтобы определить высоту столба жидкости нужно просуммировать высоты элементарных столбиков, на которых давление изменяется на какую-то малую величину . В целом это конечно интеграл, но чтобы сразу привнести некое практическое значение, запишем его так:

N — это число интервалов разбиения давления от до измеренного .

Плотность зависит от давления практически линейно, и считать такую сумму из-за учета одной лишь сжимаемости смысла нет, но я привел здесь эту формулу не просто так.

Сам факт, что плотность зависит от трех параметров — это еще пол беды. Сложность кроется в том, что все эти параметры могут сильно меняться с глубиной. В этом случае принято говорить о профиле температуры и солености. Вот так, к примеру, выглядит профиль из Арктики:

Вот так с северной части тихого океана:

А вот так, для сравнения — с юга атлантики:

Например, если представить, что мы погружается в северной части тихого океана (39°СШ,152°ВД) учитываем атмосферное давление и географическую широту места и сжимаемость воды, а наш датчик давления показывает 100 Бар (

1000 м), а температуру и соленость мы берем в точке измерения, но не учитываем профиль, мы ошибемся с глубиной на 2 метра.

Я специально запилил онлайн-калькулятор и добавил три тестовых профиля (их можно переключать кнопками), чтобы каждый мог сам попробовать.

Если теперь просто переключить профиль на «южноатлантический» и попробовать пересчитать, то мы увидим, что разница выросла до 6-и метров. Напомню: все, даже сжимаемость воды мы уже учли! Ошибка связана только с наличием профиля — слоев разной температуры и солености в толще воды.

Естественно, все меняется и со сменой времен года и со сменой времени суток. Летом (в северном полушарии, зимой — в южном) верхний слой прогревается, а зимой — остывает. Шторма перемешивают воду, дожди смывают грязь с суши и реками уносят в моря, таят снега и ледники.

Это я к тому, что нельзя один раз перемерить и выбить в граните все профили температуры и солености для всех морей и океанов — все течет, все меняется. И если вдруг вы собрались погружаться на ощутимые глубины и у вас нет температурного профиля — я не поверю в ваш рекорд )

Матчасть

Как я упомянул в начале статьи, все необходимое для расчета глубины я собрал в библиотеку и положил на GitHub.

Она в том числе переведена на JavaScript, а в качестве интерактивного примера ее использования привожу онлайн-калькулятор.

Благодарю за внимание, буду искренне благодарен за конструктивную критику, сообщения об ошибках, пожелания и предложения.

В следующей статье разберу второй способ определения глубины — по эхолокации.

Источник

Arduino.ru

Нужен совет по датчику давления для определения глубины погружения в воду

Добрый день! Требуется для подводного аппарата определять глубину погружения. На пульте управления ардуино UNO и жк-телевизор 7″, на борту аппарата ардуино NANO и цифровая камера. Рабочая глубина до 10 м, что равно давлению 2 атм. Какой посоветуете датчик давления. Или может просто использовать стрелочный и установить его в поле видимости камеры?

народ изголяется с жигулёвским датчиком давления масла ММ393А

Какая точность? Какой бюджет? Вот например на яндекс маркете первый попавшийся (5вольт, до 4 бар).

Датчик давления воды Ferroli D code 39826680

Большое спасибо! По цене хочу не более 1000 р., точность 30-50см. Про датчик давления воды ferroli D code 39826680 еще почитаю. Датчик ММ393А испробую в ближайшее время, проще купить. Да и необязательно использовать 12 вольт, можно и 5 вольт.

Читайте также: Wofea lcd co датчик

Добрый день, в настоящее время занимаюсь попыткой реализации подобного проекта (есть уже рабочий прототим робота, но к нему идет целый жгут силовых проводов). Сейчас хочу как и в вашем проекте сделать пульт управления и аппарат управления на ARDUINO. Для связи их между собой выбрал интерфейс RS485. Очень интересно было бы узнать, а как вы коммутируете между собой пульт управления и плату управления.

Пока нет свободного времени закончить проект. Начинал в прошлом году с управления DTMF, затем пропорциональное управление на 555-х таймерах, управление по кабелю UTP. Питание на борту самого робота — 2 аккумулятора от ИБП, т.к. используются двигатели постоянного тока на 24В и 12В.

Сейчас переделываю управление на ардуино. В пульте ардуино УНО, два джойстика и кнопки, NRF24L01+ c усилителем мощности и МШУ с разъемом на плате и антенной. С самого робота (стоит ардуино НАНО, аккумуляторы от ИБП) будет выведен кабель UTP (внутри кабеля 4 пары проводов) 6-10 метров до поплавка, на котором тоже NRF24 с антенной. Модули NRF24 проверял только до расстояния 200м, дальше не пробовал, подключал рядом с платой ардуино без кабеля UTP. Модули зависали примерно через 10 мин. работы пока не поставил по питанию конденсаторы: 10 мк электролит и 0,1 мк керамику. Связь проверял только в одном направлении, двухстороннюю пока не освоил. Для передачи видео имеется видеопередатчик TS832 и приемник RC832. Их работу проверял на расстоянии 500м, это мне достаточно. Но советую использовать другии, т.к. у этих диапазон 5,8 ГГц. на который нужно разрешение.

Также на роботе стоит манипулятор КЛЕШНЯ, светодиодный фонарь Для погружения-подъема будет кроме двигателя использоваться балласт — внутри бака установлена резиновая камера, в которую закачивается вода.

Источник

[Функции] Глубиномер в часах Casio — описание работы датчика

G-STORE.RU — официальный магазин часов Casio в России

Сегодня детально рассмотрим работу глубиномера в часах Casio. Эта функция присутствует в топовых моделях “водных” направлений G-Shock — GWN-Q1000 и GWF-D1000, и является довольно востребованной при погружениях с аквалангом. По правде говоря, при верном истолковании всех тонкостей работы датчика, можно получить сравнительно точные результаты измерений. Помимо глубины под водой, можно получить значения других параметров, например, скорость всплытия, превышение которой может быть опасно для здоровья, а иногда и жизни. В данной статье мы постарались осветить все важные моменты использования глубиномера. Делитесь своим опытом в комментариях.

Основы работы глубиномера — часы получают информацию о глубине погружения под воду благодаря наличию встроенного датчика давления воды. Глубина погружения вычисляется на основании результатов измерения давления воды. Точкой отсчета принято считать так называемую “нулевую глубину”, при давлении 1013 гПа [гектопаскаль]. В морской воде давление воды увеличивается на 1 атмосферу каждые 10 метров (1,03 кг/см2). В пресной воде это значение на 2,5% меньше. Датчик погружения настроен на морскую воду [с пресной будут другие показатели (детально чуть ниже)].

G-Shock GWF-D1000 и глубина 1,5 м.

Именно глубина погружения является чуть ли не основным показателем при дайвинге, т.к. от этого напрямую зависит здоровье, и, в нередких случаях, жизнь аквалангиста. Не менее важным аспектом считается и скорость всплытия, которая также определяется датчиком глубиномера. При слишком высокой скорости всплытия могут возникнуть серьезные проблемы со здоровьем [сдавливание легких, кессонная болезнь и др.]. Резкие перепады давления пагубно влияют на человеческий организм.

Предостережения

Глубиномер в часах Casio предназначен в качестве резервного измерения глубины, но не для профессиональных погружений и не претендует на звание сверхточного прибора [производитель перестраховывает себя].
Убедитесь перед погружением что батарея достаточно заряжена, потому как функции датчика ресурсоемкие.
Перед погружением обязательно войдите в режим дайвинга, зажав кнопку C в течение 3 секунд (в разных моделях по-разному), пока не отобразится индикатор DIVE. Если этого не сделать перед погружением, значение глубины не обнулится и дальнейшие результаты измерений будут неверными.
Если вы совершаете погружение в пресной воде, то имейте в виду, что фактическая глубина будет на 2,5% выше, чем отображаемая на дисплее часов, потому как удельная плотность морской воды выше [на 2,5%], а датчик настроен именно на морскую воду.
На высоте, превышающей высоту моря, атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Это означает, что погружение выше уровня моря связано с рисками для здоровья.
Выполняйте погружения только после прохождения специальной подготовки и имея специальную экипировку.
Не обнуляйте вручную значение глубины, если вы находитесь на глубине 1,5 м. и более.
Выполняйте всплытие не быстрее, чем 10 метров в минуту, чтобы избежать газовой эмболии.
Часы не предназначены для глубоководных погружений.

GWF-D1000 — топовый представить дайверских Frogman

Единицы измерения и диапазоны

Время погружения измеряется в секундах. Диапазон измерения – 6 часов.
Шаг измерения глубины – 0,1 м. Диапазон измерения – от 0,0 м до 80 м (от 0,0 фт до 262,5 фт). Если глубина погружения превышает 80 м., на экране отображается индикатор dEEp.

О работе датчика

В начале погружения в часах автоматически создается запись с информацией о времени начала погружения, продолжительности погружения, глубине и температуре воды.
После всплытия на циферблате отображается время нахождения на поверхности.
Находясь под водой, можно посмотреть ее температуру, нажав кнопку A.
Если глубина будет менее 1,4 метра, часы перейдут в режим ожидания между погружениями, при котором записная книжка глубиномера не обновляется, но текущая глубина продолжает отображаться на экране.
Время нахождения на поверхности обнуляется автоматически при достижении глубины в 1,5 м.
Время погружения рассчитывается при глубине от 1,5.

В записной книжке глубиномера может храниться 20 записей. Как только память заполнится, самая старая запись удаляется, и освобождает место для новой.
Датчик считает погружение законченным, если глубина становится менее 1,4 метра.
Если в течение 10 минут после всплытия выполнить еще одно погружение, то часы будут считать это продолжением предыдущего погружения. Все данные для этой записи обновятся. Если же прошло более 10 минут, создается новая запись и часы считают это погружение новым.
Чтобы вручную создать новую запись о погружении, необходимо удерживать кнопку С около 3 секунд [часы перейдут в режим текущего времени], затем снова перейти в режим дайвинга.
Если скорость всплытия превышает 10 метров в минуту, раздается звуковой сигнал.

GWN-Q1000 — старшая модель из серии Gulfmaster

По идее, любой датчик требует калибровки. Но в официальных материалах Casio по глубиномеру мы не нашли информации о калибровке. Видимо, достаточно заводской установки.

Последовательность действий по измерению глубины

Напоминаем, что процесс описан для часов G-Shock GWF-D1000 (модуль 3445). Для других моделей Casio последовательность действий может быть иной, но принцип остается тем же.

Войдите в режим дайвинга, зажав кнопку C в течение 3 секунд, пока не отобразится индикатор DIVE. Часы автоматически покажут текущую глубину и время погружения.

Чтобы просмотреть запись о предыдущем погружении, нужно в режиме ожидания между погружениями нажать кнопку A.
Чтобы посмотреть информацию о температуре воды, в режиме дайвинга нажмите кнопку A.
Чтобы посмотреть сохранённые данные о погружениях, необходимо в режиме текущего времени нажать кнопку C. Это действие откроет записную книжку. Последовательность просмотра информации изображена на рисунке ниже:

С помощью кнопки D можно пролистать записи. Переход происходит от более новой записи к старой.
Чтобы удалить запись, нужно нажать кнопку A в течение 2 секунд, пока не начнет мигать индикатор CLEAR Hold. Когда CLEAR перестанет мигать, можно отпустить кнопку A.
Чтобы удалить все записи из книжки, зажмите кнопку A На 5 секунд. На экране начнет мигать индикатор CLEAR ALL Hold. Когда на экране останется CLEAR ALL, отпустите кнопку A.

Глубиномер в часах Касио является информативным и полезным инструментом для любительских погружений. Не забывайте — часы не предназначены для профессионального глубоководного погружения, где важна максимальная точность. Перед погружением обязательно зарядите батарейку по максимуму, потому как датчик довольно ресурсоемкий. Следите за скоростью всплытия, дабы избежать проблем со здоровьем.

P.S. Вам есть что добавить? Пишите в комментариях, улучшим статью вместе.

yamakot

Люблю разбираться во всяких тонкостях часов японского производителя. Активно поддерживаю идею «настоящие ударопрочные G-Shock-и должны быть цифровыми», при этом не отказываюсь от ана-диджи. Новости, обзоры, лукбуки — вношу свою лепту в популяризацию часовой продукции Casio в русскоязычном сегменте интернета.

Источник