Волоконно-оптический преобразователь гидрофизических параметров морской среды

Волоконно-оптический преобразователь гидрофизических параметров морской среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в гидроакустике для измерений, влияющих на результаты гидроакустических измерений величин: скорости потока, температуры, гидростатического давления, плотности, солености и скорости звука в морской среде.

Известно устройство того же назначения, принятое за прототип [патент РФ №2047279, кл. H 04 R 1/44, 1995], содержащее установленные на известном расстоянии друг от друга гидроакустическую излучательную систему, подключенную к генератору импульсов и гармонических колебаний и гидроакустический приемник, а также усилитель и регистраторы гидрофизических параметров, выполненные в виде частотомера-периодимера и измерителя тока, параллельно подключенные к выходу усилителя, при этом гидроакустический приемник выполнен в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр. Недостатком прототипа является невозможность его применения для измерения скорости потока и плотности морской среды.

Техническим результатом, полученным от применения изобретения, является расширение количества измеренных параметров морской среды с помощью одного волоконно-оптического преобразователя (ВОП) с четырех до шести - семи.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном ВОП гидрофизических параметров морской среды, содержащем установленные на известном расстоянии друг от друга гидроакустическую излучательную систему, подключенную к генератору импульсов и гармонических колебаний, и гидроакустический приемник, а также усилитель и регистраторы гидрофизических параметров, выполненные в виде частотомера-периодимера, и измерителя величины тока, параллельно подключенные к выходу усилителя, при этом гидроакустический приемник выполнен в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр, предметная и опорная волоконная катушки установлены соответственно в проточной и заглушенной камерах, сообщающихся через вентиль друг с другом, а гидроакустическая излучательная система выполнена в виде двух идентичных излучателей, установленных в проточной и заглушенной камерах.

Кроме того, опорная волоконная катушка снабжена съемной теплозащитной насадкой.

Вентиль между проточной и заглушенной камерами выполнен дистанционно управляемым.

Два идентичных гидроакустических излучателя параллельно подключены к генератору импульсов и гармонических колебаний через переключатель.

ВОП снабжен дополнительно датчиком глубины.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема ВОП, а на фиг.2 - его оптико-электронная схема.

ВОП гидрофизических параметров морской среды содержит (фиг.1) установленные на известном расстоянии х гидроакустические излучатели 1, 2 и гидроакустические приемники 3, 4. Излучатель 1 и приемник 3 установлены в проточной камере 5, а излучатель 2 и приемник 4 в заглушенной камере 6.

Камеры 5, 6 могут сообщаться между собой через канал 7, перекрываемый вентилем 8.

Заглушенная камера 6 снабжена съемными торцевыми крышками (не показано).

Излучатели 1, 2 подключены параллельно к генератору 9 электрических импульсов и гармонических колебаний через переключатель 10.

Переключатель 10 может управляться дистанционно и работает в четырех положениях. При первом положении генератор 9 подключается сразу к двум излучателям 1, 2; при втором - отключается от них, при третьем - подключается только излучатель 1, в четвертом - подключается только излучатель 2.

Гидроакустические приемники 3, 4 выполнены в виде предметной (3) и опорной (4) волоконных катушек, оптически согласованных с источником 11 когерентного света и фотоприемником 12 в интерферометр (фиг.2).

Причем опорная волоконная катушка 4 снабжена съемной теплозащитной насадкой (не показана).

Вентиль 8 между проточной и заглушенной камерами 5, 6 выполнен дистанционно управляемым.

Имеется также усилитель 13 и регистраторы гидрофизических параметров в виде частотомера-периодимера 14 и измерителя 15 величины фототока, отградуированных на различных шкалах в единицах измеренных величин. Регистраторы 14, 15 электрически связаны с любым записывающим прибором 16.

Имеется также фазосдвигающее устройство 17, установленное в опорном или рабочем плече интерферометра.

ВОП может также содержать датчик глубины 4 погружения проточной и заглушенной камер 5, 6 в морскую среду (не показана). Датчик глубины может быть выполнен в виде таймера, измеряющего время равномерного погружения системы при известной скорости ее заглубления. Его выход связан с записывающим прибором 16.

В рабочей среде находятся элементы 1...8 ВОП. Все остальные элементы и блоки ВОП находятся на борту надводного носителя (не показан).

ВОП работает следующим образом. Для измерения распределения температуры морской среды на глубине на опорную катушку 4 надевают теплозащитную насадку, открывают вентиль 8 и начинают опускать подводную часть ВОП с равномерной скоростью. Синхронно измеряют температуру Т по количеству импульсов на частотомере 14 и глубину h по датчику глубины (не показан). Вход "а" записывающего прибора 16 может быть снабжен цифроаналоговым преобразователем, что позволяет получить распределение T(h) температуры по глубине в графическом виде. Поскольку в сообщающихся камерах 5, 6 находится одна и та же жидкость, то на результаты измерений температуры не будут оказывать изменения величины плотности, гидростатического давления или солености морской среды.

Для измерения распределения гидростатического давления по глубине на надводном носителе снимают теплоизоляционную насадку с опорной катушки 4 через торцовую съемную крышку (не показана), закрывают вентиль 8 и вновь опускают надводную часть ВОП в морскую среду с равномерной скоростью. Количество появившихся интерференционных пиков, зарегистрированное частотомером-периодимером 14, дает информацию о гидростатическом давлении Р на каждой из глубин h.

Для измерения скорости V потока с помощью фазосдвигающего устройства 17 устанавливают начальную разность фаз, равной 90°. С помощью переключателя 10 подключают генератор 9 к гидроакустическим излучателям 1, 2. Открывают вентиль 8. Подают на излучатели 1, 2 синусоидальные колебания частоты ω с амплитудой, при которой наблюдается в потоке скорости V дополнительная разность фаз, не превышающая ±45° (по аналогии с прототипом). Если поток жидкости в рабочем канале 5 отсутствует, то звуковые волны 18, 19 придут в одинаковой фазе на предметную и опорную катушки 3, 4 интерферометра, и изменение сигнала на выходе фотоприемника 12 не будет.

При появлении потока жидкости скорости V в рабочей камере 5, на выходе интерферометра будет наблюдаться дополнительная разность фаз, Δϕ преобразуемая им в изменения фототока Δi, которая регистрируется измерителем 15, отградуированного в единицах скорости.

Измерения скорости V проводятся дискретно для требуемых глубин h.

Для измерения скорости звука С на различных глубинах h переключателем 10 отключают излучатель 2 от генератора 9. Вентиль 8 закрывают. Заполняют заглушенную камеру 6 стандартной морской водой стандартной солености и плотности (например, дистиллированной водой). Подают на излучатель 1 импульс тока, возбуждающий в проточной камере 5 импульс звука, распространяющийся со скоростью звука С к приемнику 3. Измеряют с помощью частотомера-периодимера 14 время Δt прохождения звуком известного расстояния х и регистрируют скорость звука абсолютным способом как х/Δt.

Если в проточной камере имеется поток жидкости, то его скорость учитывают при измерении скорости звука.

Для измерения солености морской среды подключают с помощью переключателя 10 излучатели 1, 2 к генератору 9. Вентиль 8 остается в закрытом состоянии. Заглушенная камера 6 остается заполненной водой стандартной солености. На излучатели 1, 2 подают гармоническую волну частоты ω. Появившаяся разность фаз на волоконных катушках преобразуется интерферометром в изменения фототока на выходе фотоприемника 12, измеряемое регистратором 15 и записываемое прибором 16 на нужных глубинах h.

Для измерения скоростного напора потока и плотности ρ морской среды отключают излучатели 1, 2 от генератора 9, открывают вентиль 8. Разность фаз интерферирующих лучей и величины фототока на выходе интерферометра будет пропорциональна скоростному напору потока ρV²/2. Зная значение скорости V потока из предыдущих измерений, рассчитывают величину плотности ρ морской среды.

Таким образом, ВОП позволяет измерять и рассчитывать семь гидрофизических параметров морской среды на одной и той же аппаратуре.

1. Волоконно-оптический преобразователь гидрофизических параметров морской среды, содержащий установленные на известном расстоянии друг от друга гидроакустическую излучательную систему, подключенную к генератору импульсов и гармонических колебаний, и гидроакустический приемник, а также усилитель и регистраторы гидрофизических параметров, выполненные в виде частотомера-периодимера и измерителя величины тока, параллельно подключенные к выходу усилителя, при этом гидроакустический приемник выполнен в виде предметной и опорной волоконных катушек, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр, отличающийся тем, что предметная и опорная волоконные катушки установлены соответственно в проточной и заглушенной камерах, сообщающихся через вентиль друг с другом, а гидроакустическая излучательная система выполнена в виде двух идентичных излучателей, установленных в проточной и заглушенной камерах.

2. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что опорная волоконная катушка снабжена съемной теплоизоляционной насадкой.

3. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вентиль между проточной и заглушенной камерами выполнен дистанционно управляемым.

4. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что два идентичных гидроакустических излучателя параллельно подключены к генератору импульсов и гармонических колебаний через переключатель.

5. Волоконно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что снабжен датчиком глубины.