2.2. Погрешности измерения основных параметров морской воды
2.2.1. Классификация погрешностей измерения
Параметры состояния морской воды, измеренные гидрологическим прибором, например, CTD–зондом в момент времени t на соответствующей глубине z, отличаются от их истинных величин. Расхождение между ними соответствует суммарной погрешности измерения. Для измеренной обобщенной характеристики Х морской воды можно записать:
∆Х = Хr – Х, (2.1)
где ΔX – погрешность измерения величины X, Хr – ее истинное значение.
Погрешности, которые возникают при измерении гидрологических параметров, проявляются в зависимости от технического состояния конкретного прибора (т.е. реальных характеристик соответствующих датчиков) и условий проведения эксперимента. Первые погрешности относят к инструментальным, а вторые к методическим.
Методические погрешности (∆mХ) – это следствие несовершенства метода измерения или неточности алгоритма расчета при определении косвенных параметров. Методические погрешности не зависят от качества измерительного устройства.
Непосредственно процесс измерения параметров морской воды проводится в большинстве случаев с борта научно-исследовательского судна (НИС), при этом CTD–зонд совершает в воде случайные движения, обусловленные множеством различных причин. Спектр этих движений очень широк – от вибраций в звуковом диапазоне частот до самых низких частот, ограниченных интервалом наблюдений.
Случайные движения зонда вносят специфические искажения в результаты измерений. В частности, когда прибор перемещается в толще морской воды, вблизи его поверхности возникают пограничные слои (ПС), связанные с воздействием сил трения. При наличии стратификации характеристики вод в ПС отличаются от параметров вод окружающего слоя. Если зондирование осуществляется во время дрейфа и качки экспедиционного судна, то движения измерительного комплекса квазипериодические, и под действием сил инерции и вязкости некоторая часть жидкости ПС может образовать объём возмущения в слое морской воды, окружающем зонд (турбулентный след). При попадании чувствительных элементов датчиков зонда в такой турбулентный объём воды (инородной по отношению к воде окружающего слоя) показания прибора будут ложными, т.е. классифицировать такие методические погрешности необходимо как артефакты CTD–измерения.
Временной масштаб методической погрешности зависит от средней скорости зондирования, от параметров качки и дрейфа судна. На величину ∆mХ оказывает влияние и величина вертикального градиента измеряемого параметра, т.е. степень стратификации воды в исследуемом слое.
Инструментальные погрешности в зависимости от эксплуатационных условий подразделяются на основные и дополнительные.
Под основными понимаются погрешности, которые проявляются при строго определённых условиях. Эти условия указаны в нормативно-технических документах (формулярах, инструкциях, описаниях) как нормальные для датчиков конкретного прибора. Дополнительные погрешности вызваны отклонением значений влияющих величин от нормальной области значений. Основная погрешность характеризуется систематической и случайной компонентами.
Систематическая погрешность (∆isХ) – это составляющая погрешности, которая считается постоянной и, как правило, соответствует заявленной точности измерителя с учётом возможного дрейфа. Так, на некоторых образцах первичных преобразователей температуры наблюдается дрейф до 0,01 С∙год-1. При попадании загрязняющих веществ (нефть и т.д.) на поверхность датчиков величина систематической погрешности изменяется.
Случайные погрешности (∆icХ) измерения обусловлены действием факторов, которые проявляются нерегулярно при повторных измерениях одной и той же величины. Из-за неясности конкретных причин возникновения эти ошибки невозможно учесть заранее и, соответственно, исключить из результатов измерений. К таким факторам относятся шумы электронных схем, дискретность квантования аналого-цифрового преобразователя (АЦП), помехи в каналах связи и т.д. В описаниях приборов принято указывать только дискретность АЦП (разрешение), таким образом, её величина соответствует минимально-возможному уровню случайной погрешности.
Динамические погрешности (∆idХ) присутствуют в данных, полученных в стратифицированной морской среде, где высокочастотная изменчивость гидрологических параметров носит случайный характер, а реакция элементов измерительного канала не является мгновенной. Задержки реакции индивидуальны по каждому измеряемому параметру и происходят за счет инерционных эффектов, которые возникают в чувствительном элементе соответствующего датчика, а также в его непосредственной близости (пограничном слое). Для оценок влияния этих эффектов на точность величины X(t), измеренной в момент времени t, используют выражение:
,
(2.2)
где τХ – время инерционности соответствующего датчика. Величина τХ определяется производителями датчиков/зондов в специальных лабораторных экспериментах.