Введение

Прибор, показывающий глубину относительно опорной поверхности
инженерные приборы

Глубиномер – это прибор для измерения глубины ниже вертикальной опорной поверхности. Они включают глубиномеры для подводного плавания и подобных применений. Глубиномер для дайвинга – это манометр, отображающий эквивалентную глубину под свободной поверхностью воды. Зависимость между глубиной и давлением линейна и достаточно точна для большинства практических целей, и во многих случаях, например, при дайвинге, важно именно давление. Это часть снаряжения для подводного плавания, используемая водолазами, подводными лодками и батискафами. Большинство современных глубиномеров оснащены электронным механизмом и цифровым дисплеем. Более ранние модели использовали механический механизм и аналоговый дисплей. Цифровые глубиномеры, используемые водолазами, обычно также включают таймер, показывающий время, проведенное под водой. Некоторые отображают скорость подъема и спуска водолаза, что полезно для предотвращения баротравмы. Этот комбинированный прибор также известен как глубинный таймер. Электронный глубиномер является важным компонентом дайв-компьютера. Поскольку прибор измеряет только давление воды, существует погрешность в отображаемой глубине при использовании приборов как в пресной, так и в морской воде из-за разницы в плотности, обусловленной соленостью и колебаниями температуры. Глубиномер, измеряющий давление воздуха, выходящего из открытого шланга к водолазу, называется пневмофатометром. Обычно они калибруются в метрах или футах морской воды.

История

Эксперименты, проведенные Робертом Бойлем из Королевского общества в 1659 году с использованием подводного барометра, привели к открытию закона Бойля. Французский физик, математик и изобретатель Денис Папен опубликовал в 1695 году труд «Recueil de diverses Pieces touchant quelques nouvelles Machines», в котором предложил глубиномер для подводной лодки. В 1747 году в «Philosophia Britannica» был описан "морской указатель" для измерения глубины океана. Однако только в 1775 году изобретатель, производитель научных инструментов и часовщик Айзек Дулиттл из Нью-Хейвена, штат Коннектикут, разработал глубиномер для подводной лодки Дэвида Бушнелла "Черепаха", который и был впервые применен на подводном аппарате. К началу XIX века "глубиномер стал стандартным оборудованием на водолазных колоколах".

Режим работы

При увеличении глубины давление окружающей среды возрастает на 1 бар на каждые 10 м в пресной воде при 4 °C. Следовательно, глубину можно определить, измерив давление и сравнив его с давлением на поверхности. Атмосферное давление изменяется в зависимости от высоты и погодных условий, поэтому для обеспечения точности глубиномер должен быть откалиброван с учетом местного атмосферного давления. Это особенно важно для безопасности декомпрессии на высоте. Плотность воды меняется в зависимости от температуры и солености, поэтому для точного измерения глубины этим способом необходимо знать профили температуры и солености. Эти профили легко измерить, но требуется проводить измерения напрямую.

Глубокомер Бойла-Мариотта

Глубокомер Бойля-Мариотта состоит из прозрачной трубки, открытой с одного конца. У него нет движущихся частей, и трубка обычно выполнена в виде круга или плоской спирали для компактного размещения на опоре. Во время погружения вода поступает в трубку и сжимает пузырь воздуха внутри пропорционально глубине. Граница пузыря указывает глубину на шкале. Для глубин до 10 м этот глубиномер достаточно точен, поскольку в этом диапазоне давление удваивается с 1 бара до 2 бар, используя при этом половину шкалы. Этот тип прибора также известен как капиллярный глубиномер. На больших глубинах он становится неточным. Максимальную глубину с помощью этого типа глубиномера зафиксировать нельзя, а на точность сильно влияет изменение температуры пузыря воздуха при погружении.

Глубокомер трубки Бурдона

Глубокомер с трубкой Бурдона состоит из изогнутой трубки, изготовленной из упругого металла, известной как трубка Бурдона. Давление воды на трубку может воздействовать как изнутри, так и снаружи, в зависимости от конструкции. При увеличении давления трубка растягивается, а при уменьшении – возвращается к исходной форме. Это движение передается на стрелку посредством системы шестерен или рычагов, и стрелка может быть оснащена дополнительной стрелкой-указателем, которая перемещается вслед за основной, но не возвращается автоматически, позволяя отмечать максимальную достигнутую глубину. Точность измерений может быть высокой. При использовании дайвером, эти приборы измеряют разницу между давлением окружающей воды и давлением воздуха в герметичном внутреннем пространстве прибора, и поэтому на показания могут влиять изменения температуры.

Глубокомер мембраны

В мембранном глубинометре вода давит на металлический баллон с гибким окончанием, который прогибается пропорционально внешнему давлению. Прогиб мембраны усиливается рычажным и зубчатым механизмом и передается на указатель, подобно анероидному барометру. Указатель может перемещать запоминающийся указатель, который не возвращается в исходное положение и показывает максимальное значение. Этот тип прибора может быть достаточно точным при учете температурных изменений. Тензодатчики могут использоваться для преобразования давления на мембрану в электрическое сопротивление, которое затем преобразуется в аналоговый сигнал с помощью моста Уитстона. Этот сигнал может быть обработан для получения сигнала, пропорционального давлению, который может быть оцифрован для дальнейшей обработки и отображения.

Датчики давления с пиезорезистивным действием

Пиезорезистивные датчики давления используют изменение сопротивления кремния под воздействием напряжения. Пьезорезистивный датчик состоит из кремниевой мембраны, на которую в процессе производства диффундируются кремниевые резисторы. Мембрана соединена с кремниевой подложкой. Сигнал необходимо корректировать с учетом температурных изменений. Эти датчики давления широко используются в компьютерах для дайвинга.

Пневмофатометр

Пневмофатометр – глубиномер, определяющий глубину водолаза, находящегося на поверхности, путем измерения давления подаваемого ему воздуха. Изначально манометры устанавливались на ручной воздушный насос, используемый для обеспечения дыхательным воздухом водолаза в стандартном водолазном снаряжении с подачей воздуха свободным потоком, где обратное давление было незначительным, за исключением гидростатического давления глубины. С добавлением обратных клапанов в систему для повышения безопасности, обратное давление увеличилось, что также произошло с появлением шлемов с регулируемой подачей воздуха. Поэтому к пуповине водолаза был добавлен дополнительный шланг малого диаметра, не имеющий дополнительных сужений. При прохождении через него небольшого потока газа образуются пузырьки у водолаза, что обеспечивает точную, надежную и прочную систему измерения глубины, которая до сих пор используется в качестве стандартного оборудования для контроля глубины водолазов, работающих с подачей воздуха с поверхности. Манометры пневмофатометра устанавливаются на панели подачи дыхательного газа водолаза и активируются клапаном. "Пневмолиния", как ее обычно называют водолазы, может использоваться в качестве аварийного источника дыхательного воздуха, поместив открытый конец в нижнюю часть шлема или полнолицевой маски и открыв клапан для обеспечения свободного потока воздуха. Между пневмолинией и манометром установлен игольчатый клапан или дроссель для снижения ударных нагрузок на чувствительный механизм, а предохранительный клапан защищает манометр от давления, превышающего его рабочий диапазон.

Компьютер для дайвинга

У компьютеров для дайвинга есть встроенный глубиномер с цифровым выходом, который используется для вычисления текущего статуса декомпрессии дайвера. Глубина погружения отображается на дисплее вместе с другими показателями и регистрируется компьютером для непрерывного моделирования декомпрессионной модели. В большинстве компьютеров для дайвинга используется пьезорезистивный датчик давления. Единичные случаи приходятся на использование емкостных или индуктивных датчиков давления.

Применение

Чтобы избежать декомпрессионной болезни, дайвер использует глубиномер, таблицы декомпрессии и часы. Распространенной альтернативой глубиномеру, часам и таблицам декомпрессии является дайв-компьютер, который включает в себя глубиномер и отображает текущую глубину как стандартную функцию.

Световые глубиномеры в биологии

Глубокомер также может быть основан на свете: яркость уменьшается с глубиной, но зависит от погоды (например, солнечной или облачной) и времени суток. Также цвет зависит от глубины воды. В воде свет по-разному ослабевает для каждой длины волны. Ультрафиолетовые, фиолетовые (> 420 нм) и красные (< 500 нм) длины волн исчезают раньше синего света (470 нм), который проникает в чистую воду на наибольшую глубину. Состав длин волн постоянен для каждой глубины и почти не зависит от времени суток и погоды. Для определения глубины животному потребуется два фотопигмента, чувствительных к разным длинам волн, чтобы сравнивать различные диапазоны спектра. У личинок полихеты Platynereis dumerilii был обнаружен хроматический глубиномер, основанный на соотношении цветов. Личинки имеют две структуры: рабдомерные фоторецепторные клетки глаз и цилиарные фоторецепторные клетки в глубоком мозге. Цилиарные фоторецепторные клетки экспрессируют цилиарный опсин – фотопигмент с максимальной чувствительностью к ультрафиолетовому свету (λmax = 383 нм). Таким образом, цилиарные фоторецепторные клетки реагируют на ультрафиолетовый свет, заставляя личинок опускаться вниз под действием гравитаксиса. Гравитаксису здесь противодействует фототаксис, который заставляет личинок подниматься к свету, идущему с поверхности. Один из фотопигментов глаз максимально чувствителен к циановому свету (λmax = 483 нм), что обеспечивает широкий диапазон длин волн для фототаксиса. Когда фототаксис и гравитаксис уравновешиваются, личинки находят свою оптимальную глубину.