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Email: taekwang@nuri.net | 전화: 02) 479-2703~4
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Sound Velocity Sensor vs CTD 계산

Valeport Service Calibration

CTD를 사용하여 수중 음속을 계산하는 것이 아니라 직접 수중 음속 측정 기술을 사용하여 측정하는 것에 대한 상대적인 장점을 둘러싼 논란이 있습니다. 그러한 토론의 본질과 마찬가지로, 각각의 사고방식은 서로가 자신이 옭는다고 믿습니다. Valeport는 두 가지 유형의 제품을 모두 생산하고 있으므로 상대적으로 편견 없는 의견을 제시할 수 있다고 생각합니다. 사용자를 위한 빠른 답변은 여기에 있습니다. – 우리의 논리와 명분은 다음과 같습니다 :

  • 실제 절대 수중 음속을 가능한 한 정확하게 알고 싶다면 Flight Sound Velocity Sensor의 Valeport Digital Time 포함된 제품을 사용하십시오.
  • 모든 이전 작업이 CTD 측정을 기반으로 하고 비교 가능한 데이터를 원한다면 CTD를 사용하십시오. 태광상역은 당연히 Valeport CTD[링크]를 권장합니다.
  • 두 가지 방법의 차이점을 알고 싶다면 Valeport MIDAS SVX2[링크]를 사용하십시오.
그렇다면 다른 방법은 무엇일까요?

CTD는 전도도, 온도 및 압력 센서를 사용하여 다수의 잘 알려진 수식 중 하나를 사용하여 음속도를 계산합니다. Pike & Beiboer (1993)은 이러한 공식을 비교하고, 대륙붕 작업 (<1000m)의 경우 Chen and Millero (1977)이 제안한 공식이 가장 적합하다고 결론을 내리고, 더 깊은 작업을 위해서는 Del Grosso (1974) 공식을 선호합니다.

직접 측정 센서에는 세 가지 유형이 있습니다.:

  • "Sing Around" 센서는 알려진 거리에 사운드 펄스를 전송합니다. 그것이 수신될 때, 추가 펄스가 전송됩니다. 펄스의 반복 속도는 (다른 것들과 마찬가지로) 사운드 펄스의 속도의 함수이며, 따라서 도출될 수 있습니다.
  • 아날로그 Flight Time 센서는 정확한 타이밍 회로를 사용하여 단일 펄스가 알려진 고정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 거리를 시간으로 나눈 거리는 속도와 같습니다.
  • 디지털 Flight Time 센서는 더욱 정확한 타이밍 회로를 사용하여 단일 펄스가 알려진 고정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 거리를 시간으로 나눈 거리는 속도와 같습니다.

이 논의의 목적을 위해, Valeport는 SV 센서를 만들지 않고 부분적으로 SV 센서의 성능에 비해 Sing-around SV 센서 성능이 크게 떨어졌기 때문에 Valeport는 Sing-around SV 센서 유형을 고려하지 않습니다.

각각의 방법은 얼마나 정확합니까?

여기서 “정밀도 (Precision)”, “상대 정확도 (Relative Accuracy)” 및 “절대 정확도(Absolute Accuracy)”의 개념을 구분하는 것이 중요합니다. 사실상, 정밀도는 측정이 얼마나 반복 가능한지와 관련이 있습니다. 즉, 안정된 상태에서 또는 센서가 알려진 상태에 반복적으로 노출될 때, 서로 얼마나 가깝게 측정치와 관련이 있는지에 관한 것입니다. 상대 정확도는 알려진 표준에 비례하여 측정이 얼마나 좋은지를 나타냅니다. 절대 정확도에는 알려진 표준이 실제 답변과 얼마나 가까운지에 대한 추정치도 포함됩니다. 계측기 제조업체는 종종 이 세 가지를 구별하지 못하여 혼동을 일으킬 수 있습니다. 상대적 정확도 수치는 절대 정확도보다 항상 작고 인상적인 수치이며, 정밀도 값은 훨씬 더 작아야 합니다.

정밀도
상대 정확도

많은 제조업체에서 일반적으로 제공되는 양질의 CTD는 온도에 대해 ±0.01°C, 전도도에 대해 ±0.01mS/cm, 압력에 대해 ±0.1%의 센서 오류를 갖습니다. 압력 오차 값은 항상 범위의 %로 주어지므로 100Bar (~1000m) 센서 경우 ±0.1%는 ±0.1Bar (±1dBar 또는 약± 1m)입니다. 허용된 수식 중 하나를 사용하면 이러한 센서 오차는 음속에서 약 ±0.06m/s의 상대 정확도를 제공합니다. 이것이 의미하는 것은 즉, 계측기가 선택한 공식의 ±0.06m/s 이내에서 음속을 보고하는 것입니다.

Time of Flight Sensor는 고해상도 타이밍 회로를 사용하여 일정한 거리에서 단일 사운드 펄스를 시간 측정하는 데 훨씬 더 정교합니다. 센서 설계 (그리고 분명히 음속)에 따라 Time of Flight는 30 – 145μs 범위에 있게 됩니다. 단일 사운드 펄스를 사용하면 반향 및 및 링잉 효과가 제거되면, 복합 센서 구조는 온도 및 압력의 전체 변동에 따라 센서 경로(사운드 펄스가 이동하는 거리)의 현저한 안정성을 허용합니다. 최종 결과는 아날로그 Time of Flight Sensor에 대해 ±0.05m/s 정도의 상대적 정확성을 요구합니다.

Valeport의 디지털 Time of Flight Sensor는 고급 디지털 신호 처리 (DSP) 타이밍 기술을 사용하여 사운드 펄스를 1/100th 나노초 (10 피코초)의 분해능으로 시간 측정합니다. 센서 타이밍 회로 및 교정 절차에서 가능한 최대 오차를 허용하면서 ±0.02m/s의 상대 정확도를 나타냅니다. 이 오류 예산은 여기[링크]에서 더 자세히 설명됩니다.

하지만 절대 정확도는 어떨까요?

CTD의 경우 질문은 실제로 “사용된 공식이 얼마나 정확한가?”입니다. 한 CTD 제조업체에 따르면, 해당 공식 저자 중 저자는 CTD 기반 수중 음속 측정의 절대 정확도가 0.5m/s보다 낫다고 추정합니다. 물론, 얼마나 잘 설명하는 것은 어렵지만 몇 mm/s나 1m/s를 초과하는 것보다 수 mm/s에 대해 말하는 것은 합리적인 가정입니다. 이 방정식의 “공식 오류”는 ±0.25m/s 정도이며, ±0.06m/s의 상대 정확도 수치에 더해질 때 ± 0.3m/s 정도의 절대 정확도를 제공한다는 것이 널리 알려져 있습니다.

직접 측정 센서의 절대 정확도는 공식의 정확도 (위에서 설명한 상대 정확도뿐만 아니라)에 따라 달라지며, 여기서 Time of Flight Sensor는 매우 유리합니다.

Time of Flight Sensor가 CTD를 능가하는 이유를 이해하는 열쇠는 잠시 해양 환경에서 토론을 미루고 우리가 실제로 측정하려고 하는 것이 무엇인지를 고려하는 것입니다. 우리는 물의 온도 변화가 음속에 어떻게 영향을 미치는지 측정하려고 하는 것이 아닙니다. 우리는 물의 염분 변화가 어떻게 음속에 영향을 미치는지를 측정하려 하지 않습니다. 우리가 측정하려는 것은 시간, 즉 알려진 거리를 이동하는 단일 펄스의 소리가 걸리는 시간입니다. 음속은 해수, 적포도주 또는 나무꼭대기를 통과하든 상관없습니다. 만약, 시간이 얼마나 걸리는지 알면 얼마나 빨리 진행되는지 알 수 있습니다. 그리고 만약 음속이 순수한 물을 통과한다면 이것은 똑같이 적용됩니다.

Del Grosso는 바닷물 속 음속 (Speed of Sound) 방정식을 발표할 뿐만 아니라, 소리의 속도 (Speed of Sound)에 대한 방정식인 Mader (1972)와 함께 발표했습니다. 순수한 물은 소리의 속도, 즉 압력과 온도에 영향을 줄 수 있는 변수가 적기 때문에 해수보다 분명한 이점이 있습니다. 그러므로 고정된 압력 (즉, 실험실 조건으로서의 대기압)에서, 온도 측면에서 순수한 물 환경을 정밀하게 제어하기가 매우 쉽습니다. 따라서 Del Grosso & Mader 방정식은 저자가 ±0.015m/s의 고유 정확도를 갖는 것으로 추정됩니다. 이것은 해수 방정식보다 훨씬 낫습니다.

정확하게 제어된 온도 조건에서 Time of Flight Sensor (Valeport의 디지털 유형과 다른 유형의 아날로그 / 디지털 유형 모두)를 교정함으로써 센서의 성능을 특성화하고 고정 전자 장치 지연 또는 제조 허용 오차를 제거할 수 있습니다. 따라서 우리가 생성하고 교정한 것은 매우 정확한 시계이면, 어떤 환경에 놓여 있더라도 상관없이 명시된 정확도로 Time of Flight를 측정합니다.

요약하면, CTD는 상대적 정확도가 ±0.06m/s이고 절대 정확도는 ±0.3m/s지만, Valeport 디지털 Time of Flight 센서는 상대 정확도가 ±0.02m/s이며 절대 정확도는 ±0.035m/s입니다.

CTD에서 추론된 SV에 관한 상황은 혼란스럽습니다. 일부 제조업체는 상대 정확도를 인용하고 일부 제조업체는 절대 정확도를 인용하지만 인용하는 경우는 거의 없습니다. 그러나 대부분의 품질 제조업체는 유사한 성능 수준을 달성하고 있으며 모두 같은 방정식을 사용하므로 CTD에서 SV 측정에 대한 인용 정확도가 ±0.25m/s 미만이면, 아마도 상대 정확성에 대한 설명일 것입니다. (즉, 수식 오류를 포함하지 않음) 그것이 ±0.25m/s 이상이라면, 그것은 아마도 절대 정확도의 설명일 것입니다. (즉, ±0.25m/s의 영역에 일반적으로 수용된 수식 오차를 포함합니다).

Time of Flight SV 센서 경우, 수중 음속 센서 위치는 분명합니다. 모두가 상대 정확도를 명시합니다. 기술적으로 말하면, ±0.015m/s 공식 오류가 추가되어 절대 정확도 수치를 반영해야 하지, 이것은 일반적으로 반영되지 않습니다. 사항을 만족시키고 경쟁 업체보다 수치를 과장하여 경쟁 우위를 피하고자 이 특정 센서에 대한 사양의 상대 정확도를 기술합니다.

그렇다면 왜 CTD를 구입할 것입니까?

두 가지 이유 :

  • CTD는 또한 사용자가 요구하는 밀도와 염도 데이터를 제공합니다.
  • 이전에 CTD에서 추론된 SV 데이터를 사용했던 진행 중인 프로젝트가 있는 경우 데이터 일관성을 위해 고유한 오류를 수용하는 것이 좋습니다.
알아야 할 것이 있습니까?

직접 측정 SV 센서는 쉽게 손상된다고 알려져 있습니다. 실제로는 그렇지 않습니다. 초기 센서는 Invar로 만들어졌습니다. (열팽창 계수가 정확하기 때문에 선택됨). 강철 형태의 합금으로, 부식으로 인해 어느 정도 손상이 발생하지만, 금속성이기 때문에 센서를 구부리면 구부러진 채로 있는 것도 사실입니다. 센서의 관측 길이가 매우 중요하기 때문에 센서를 왜곡하면 오류가 발생합니다. 그런데 Invar는 여전히 강철 합금이며, 센서를 왜곡시키는 데 필요한 남용은 거의 모든 계측기에 손상을 줄 것입니다.

최근 Sound Velocity 센서는 열팽창 계수가 거의 없고 부식에 강하고 극한의 외부 충격 없이 구부리거나 부서지지 않는 첨단 복합 재료로 제작되었습니다. 그들은 대부분의 CTD보다 확실히 더 견고합니다. 자세한 내용은 여기[링크]를 클릭하십시오.

Time of Flight 센서의 또 다른 이점은 측정이 단지 최대 140μs의 시간 상수 (100mm 센서에서 단일 사운드 펄스의 이동 시간)을 갖는 단일 센서에 의존합니다. 이는 사실상 즉각적인 응답 센서입니다. CTD 측정에는 응답 시간이 다른 3개 센서의 데이터가 필요하며, 계산된 SV 데이터에 스파이크가 발생할 수 있습니다. 이것들은 데이터를 사후 처리함으로써 제거될 수 있지만, 교정된 관측값에는 주관성의 요소가 있을 수 있습니다.

위의 논의는 다양한 출처의 오류 추정치를 사용하며, 다른 출처보다 주관적인 오류 추산을 사용합니다. 측정 및 계산된 SV 데이터를 비교하는 유일한 방법은 Valeport MIDAS SVX2[링크]를 사용하는 것입니다. Valeport MIDAS SVX2는 CTD 및 디지털 Time of Flight SV 센서가 장착되어 있으며 동기화된 샘플링 기술을 사용하여 순차적으로가 아니라 같은 순간에 모든 센서를 측정합니다. 이것이 완벽한 방법은 아니지만, 합리적으로 달성할 수 있는 수준에 가깝다고 믿습니다. 이 계측기가 상업적으로 이용 가능할 때, 우리가 보았던 데이터는 위에 설명된 해수의 공식에서 추정된 오차가 너무 광범위하지 않음을 나타냅니다. 그러나 좀 더 자세한 비교 작업을 통해 더욱 명확한 결론을 내릴 수 있습니다.


J.M. Pike & F.L. Beiboer, 1993, "A Comparison Between Algorithms for the Speed of Sound in Seawater". The Hydrographic Society, Special Publication No. 34

C-T. Chen & F.J. Millero, 1977, "Speed of sound in seawater at high pressures". J Acoust Soc Am, 62(5), pp 1129-1135

V.A. Del Grosso, 1974, "New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons to other equations)". J Acoust Soc Am, 56(4), pp 1084-1091

V.A. Del Grosso & C.W. Mader, 1972, "Speed of Sound in Pure Water". J Acoust Soc Am, 52, pp 1442-144

Precision should either be stated as a Peak to Peak value (i.e. every point lies within this range), or as a 95% confidence value (i.e. 95% of the readings are within the stated range). Confusingly, some manufacturers use a standard deviation figure (or RMS), which is misleading, and often bears no relation to the true precision figure. Knowing your true peak to peak noise value effectively tells you how good your sensor is at detecting change; high peak to peak noise figures mean that small changes are literally lost in the noise.

The Precision of a CTD derived Sound Velocity value will depend on the precision of each individual sensor in the instrument. A Valeport CTD will have precision values (peak to peak noise) of ±0.002mS/cm for Conductivity, ±0.001°C for temperature, and ±0.002dBar for pressure (although this is slightly dependent on the range of the pressure sensor). These values will contribute to a Precision figure for SV of around ±0.006m/s. However, the issue is complicated slightly by the fact that each sensor will have a different response time; in anything other than perfectly steady conditions, this can lead to spikes in the data. Although these can be removed in post processing, it is a somewhat subjective exercise, so it easier for now to say that a CTD derived SV value should have a precision of at best, ±0.006m/s.

Measurements we have made on analogue time of flight sensors (which we do not make), and on other "digital" sensors currently available indicate a peak to peak noise value in the region of ±0.035m/s, with little to pick between the two methods. These values are actually significantly greater than the stated specification, which we therefore assume to be based on RMS data. Valeport’s digital time of flight sensor has a peak to peak noise value of ±0.002m/s.