Интерференционный способ определения абсолютного показателя преломления морской воды

 

Использование: в измерительной технике, для измерения абсолютных показателей преломления в гидрофизических и океанографических исследованиях. Сущность изобретения: способ обеспечивает проведение прецизионных измерений в толще морской воды на относительно больших глубинах с борта подводного аппарата. В способе предусматривается поэтапное заполнение измерительной кюветы забортной воды с одновременным контролем всех изменений порядка интерференции в соответствующих интерференционных схемах, а также температурного режима самой измерительной кюветы. 2 ил.

Настоящее изобретение связано с измерительной техникой, в частности с вопросами измерения абсолютных показателей преломления воды, и может быть использовано при осуществлении глубоководных гидрофизических и океанографических исследованиях.

Известен интерференционный способ определения абсолютного показателя преломления воды, заключающийся в заполнении водой рабочей кюветы рефрактометра, определении абсолютного показателя преломления воздуха в помещении и определении абсолютного показателя преломления воды в кювете путем формирования световых пучков, пропускания их через воду в кювете и воздух помещения, сведения световых пучков с образованием двух интерференционных картин, перемещения взаимосвязанных подвижных отражателей в воде рабочей кюветы и в воздухе помещения, регистрации соответствующих изменений порядка интерференции для двух интерференционных картин и заключительного расчета с использованием определенного ранее значения абсолютного показателя преломления воздуха и двух зарегистрированных значений изменений порядков интерференции.

Недостатком известного способа является невозможность его реализации в условиях открытого водного бассейна или в условиях открытого моря.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является интерференционный способ определения абсолютного показателя преломления морской воды, заключающийся в том, что погружают в воду рефрактометр с рабочей кюветой, имеющей две полости и измерительную базу К, на борту подводного аппарата определяют величину абсолютного показателя преломления воздушной среды на борту подводного аппарата заполняют первую полость рабочей кюветы забортной водой с выравниванием параметров воды в рабочей кювете и за бортом подводного аппарата формируют три световых пучка, пропускают их через воду в первой полости кюветы и воздушную среду, формируют три интерференционные картины, перемещают взаимосвязанные отражатели в первой полости рабочей кюветы и воздушной среде, регистрируют соответствующие изменения порядка интерференции в интерференционных картинах и рассчитывают величину абсолютного показателя преломления воды n₁ по определенному значению абсолютного показателя преломления воздушной среды и зарегистрированным значениям изменений порядка интерференции.

Недостатком способа являются его узкие функциональные возможности. Так, в частности, способ-прототип обеспечивает возможность измерения абсолютного показателя преломления морской воды только в лабораторных условиях и не позволяет проводить измерения на больших глубинах (до 100 м), которые представляют большой интерес для исследователей. Последнее связано в основном с трудностями плавного перемещения отражателей в воде в условиях больших давлений (до 10 атм) и с возникающими при этом утечками в областях подвижных уплотнений и общей потерей герметичности.

Целью настоящего изобретения является создание интерференционного способа измерения абсолютных показателей преломления, обеспечивающего проведение прецизионных измерений в толще морской воды на относительно больших глубинах (до 100 метров) с борта соответствующего подводного аппарата.

Интерференционный способ определения абсолютного показателя преломления морской воды, заключается в том, что определяют величину абсолютного показателя преломления воздушной среды рефрактометра с рабочей кюветой, имеющей две полости, контрольную и измерительную с базой К, заполняют контрольную полость рабочей кюветы морской водой, формируют три световых пучка, пропускают первый через воду в контрольной полости кюветы, а второй и третий через воздушную среду, формируют три интерференционные картины: первую путем сведения первого и второго световых пучков, вторую - путем сведения второго и третьего световых пучков, перемещают взаимосвязанные отражатели в контрольной полости рабочей кюветы и воздушной среде, регистрируют соответствующие изменения порядка интерференции в интерференционных картинах и рассчитывают величину абсолютного показателя преломления воды n₁ по определенному значению абсолютного показателя преломления воздушной среды и зарегистрированным значениям изменений порядка интерференции, контролируют базу К измерительной полости рабочей кюветы при температуре Т₁, формируют дополнительно два световых пучка, пропускают один из них через измерительную полость рабочей кюветы, а другой через воздушную среду, третью интеpференционную картину формируют сведением дополнительных световых пучков, заполнение рабочей кюветы погруженного в воду рефрактометра производят в два этапа, при этом на первом этапе после определения абсолютного показателя преломления воздушной среды заполняют обе полости рабочей кюветы морской водой до давления 1,5-2,0, атмосферы, после чего производят измерение абсолютного показателя преломления воды n₁ и фиксируют начальное значение порядка интерференции М₁ в третьей интерференционной картине, после этого продолжают заполнение морской водой только измерительной полости рабочей кюветы с выравниванием параметров воды в измерительной полости рабочей кюветы и вне рефрактометра, после завершения выравнивания фиксируют конечное значение порядка интерференции М₂ в третьей интерференционной картине и измеряют температуру воды Т₂ вне рефрактометра, а результирующее значение абсолютного показателя преломления забортной морской воды n₂ определяют по формуле n₂=n₁+(M₂-M₁) λ {2K[1+ α (T₂-T₁)]}^-1. (1) где λ - длина волны света; α - коэффициент линейного расширения материала кюветы.

На фиг. 1 показана схема интерференционного рефрактометра, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - схема электронного блока интерференционного рефрактометра.

Способ измерения состоит в следующем.

На предварительном этапе осуществляют калибровку измерительной базы интерференционного рефрактометра, использующегося для целей глубоководных измерений. При этом определяют величину измерительной базы К при температуре Т₁. Контроль измерительной базы может быть осуществлен, например, с помощью известных интерферометров белого света или интерференционных компараторов.

Далее интерференционный рефрактометр размещают на подводном аппарате, который погружают на заданную глубину (до 100 м) в водную среду (например, в морскую воду), где давление воды составляет до 12-12 атм, а температура может составлять порядка 8-10^оС. После завершения погружения определяют величину абсолютного показателя преломления воздуха на борту подводного аппарата в области размещения интерференционного рефрактометра. В частности, величина абсолютного показателя преломления воздуха n_b может определяться расчетным путем по формуле Баррела-Сирса n = 1+(n_o-1)·10 · - (17,045 - 0,557·λ^-2), где Р_в, Т_в - соответственно давление и температура окружающего воздуха, n_o - ПП воздуха при типовых значениях давления Р_о и температуры Т_о.

После определения величины n_в осуществляют заполнение рабочей кюветы рефрактометра забортной водой до давлений порядка Р₁=1,5-2,0 атм. С этой целью в процессе заполнения контролируют давление воды в кювете и по достижению значением давления уровня Р₁ прекращают процесс заполнения. Затем выдерживают паузу для завершения процессов теплообмена в водной среде рабочей кюветы (о завершении процессов теплообмена можно судить, например по результатам измерений температуры в различных точках рабочей кюветы или же по результатам длительного выдерживания кюветы после завершения ее заполнения (порядка 10 мин). После завершения тепловых переходных процессов инициируют измерение величины абсолютного показателя преломления воды n₁ в рабочей кювете.

Процесс измерения предусматривает формирование нескольких, например трех, световых пучков, пропускание одного из этих пучков через воду в рабочей кювете, а второго и третьего пучков через воздушную среду на борту подводного аппарата (в области интерференционного рефрактометра) и сведение второго и третьего, а также первого и третьего световых пучков с образованием первой и второй интерференционных картин. В результате образуется второй интерференционный измерительный канал, оптически связанный с первым подвижным отражателем, расположенным в воде в рабочей кювете рефрактометра, и первый интерференционный измерительный канал, оптически связанный со вторым подвижным отражателем, механически связанным с первым отражателем и установленным в воздушной среде. Процесс измерения предусматривает совместное перемещение отражателей в воде и в воздушной среде (на расстояние порядка 1-3 см) с одновременной регистрацией измерений порядка интерференции N₁, N₂ в первой и второй интерференционных картинах. По завершению измерений и регистрации определяют результирующую величину n₁ показателя преломления воды в рабочей кювете по формуле (2) n₁=n_в ˙N₂/N₁ (3) Перед осуществлением измерений величины n₁ формируют дополнительно два световых пучка, пропускают один из них через воду в рабочей кювете, а второй через воздушную среду, и сводят эти световые пучки с образованием третьей (дополнительной) интерференционной картины. В результате формируется третий интерференционный канал, оптически связанный с неподвижным отражателем, расположенным внутри рабочей кюветы на противолежащей ее стенке. Сразу же после регистрации значений n₁ фиксируют и запоминают величину исходного порядка интерференции М₁ для третьей интерференционной картины.

По завершению определения величины n₁ вновь инициируют процесс заполнения рабочей кюветы забортной водой вплоть до полного выравнивания давлений и температур для забортной воды и воды в рабочей кювете рефрактометра. Факт выравнивания регистрируется путем одновременного измерения указанных параметров в рабочей кювете и в забортной воде вблизи подводного аппарата. Одновременно с заполнением рабочей кюветы водой осуществляют регистрацию измерений порядка интерференции в третьей интерференционной картине и фиксацию результирующего значения порядка интерференции М₂ по завершению выравнивания температур и давлений воды в рабочей кювете и за бортом. На заключительном этапе измеряют температуру Т₂ воды в кювете, после чего осуществляют расчет величины показателя преломления забортной воды n₂ по формуле (1).

Основным преимуществом предлагаемого способа перед способом-прототипом является его возможности в плане прецизионного измерения абсолютного показателя преломления воды на относительно больших глубинах (до 100 м), а также экспрессный характер измерений. Возможности способа-прототипа ограничиваются лабораторными измерениями, что в первую очередь связано с трудностями по автоматическому перемещению подвижных отражателей в условиях относительно высоких давлений контролируемой среды (до 12 атм), а также возникновением утечек в местах подвижных уплотнений, что может привести к изменению давления в рабочей кювете (т.е. к появлению методических ошибок измерения) и эксплуатационным неудобствам.

Интерференционный рефрактометр в соответствии с предложенным способом показан на фиг. 1 (интерферометр показан в рабочем состоянии на борту подводного аппарата).

Рефрактометр включает рабочую кювету 1, состоящую из двух полостей, измерительной 2 с базой К и контрольной 3, разделенных герметичной перегородкой, лазер 4, оптически связанный со светоделительным блоком 5, имеющим три светоделительные поверхности 6,7,8, первым 9 и вторым 10 отражателями, установленными на подвижном штоке 11, расположенном в полости 3 кюветы 1 (с возможностью перемещения), тремя зеркалами 12-15, а также тремя фотоприемниками 16-18, и два управляемых электронных вентиля 19, 20, первый из которых связывает кювету 1 рефрактометра с забортной средой, а второй связывает между собой полости 2 и 3 кюветы 1.

Первый интерференционный канал рефрактометра образован поверхностью 8 светоделительного блока 5, отражателем 9, установленным на торце штока 11 в воздушной среде, зеркалами 14, 15 и фотоприемником 18. Второй интерференционный канал рефрактометра образован поверхностью 7 светоделительного блока 5, отражателем 10, установленным на подвижном штоке 11 в полости 3 кюветы 1 рефрактометра, зеркалами 13, 15 и фотоприемником 17. Третий (дополнительный) интерференционный канал рефрактометра образован поверхностью 6 светоделительного блока 5, зеркалом 12, установленным на внутренней противолежащей стенке кюветы 1 в полости 2, опорным зеркалом 15 и фотоприемником 16.

Кроме того, рефрактометр включает первые датчики температуры и давления 21, 22, установленные в забортной воде вне подводного аппарата, вторые датчики температуры и давления, 23, 24, установленные в полости 2 кюветы 1, и третьи датчики температуры и давления, 25, 26, установленные в воздушной среде (в области рефрактометра) на борту подводного аппарата.

Электрический блок рефрактометра, см. фиг. 2, состоит из трех схем регистрации порядка интерференции 27-29, входы которых связаны с выходами соответствующих фотоприемников 16-18, а выходы соединены с тремя входами схемы вычисления и управления 30. Два управляющих выхода этой схемы соединены с управляющими входами вентилей 19, 20. Кроме того, шесть информационных входов схемы 30 подключены к выходам трех датчиков температуры 21, 23, 25 и трех датчиков давления 22, 24, 26 (сигналы на выходах этих датчиков формируются в цифровом виде).

При необходимости кювета 1 рефрактометра на борту подводного аппарата может защищаться с помощью внешнего теплоизолирующего слоя. Последнее позволяет сократить время на выравнивание температур забортной воды и воды в кювете и уменьшить методические ошибки, связанные с неидеальностью выравнивания.

Интерференционный рефрактометр осуществляет измерение абсолютного показателя преломления морской воды следующим образом.

Предварительно при установленном зеркале 12 осуществляют калибровку и определяют величину измерительной базы К рефрактометра при температуре воздуха Т₁.

После погружения в воду на заданную глубину с использованием датчиков 25 и 26 осуществляют измерение температуры Т_в и давления Р_в воздушной среды на борту подводного аппарата и с помощью схемы 30 производят расчет величины абсолютного показателя преломления воздуха n_в по формуле (2). При этом точность определения nв составляет порядка 10^-5.

После этого открывают вентиль 19 и при открытом вентиле 20 заполняют обе полости (2 и 3) кюветы 1 забортной водой. Заполнение производят до тех пор, пока датчик 24 давления в кювете не зафиксирует давление в 2 атмосферы. После этого закрывают вентиль 19 и выдерживают паузу для выравнивания температуры по объему воды в кювете.

Далее переходят к измерению величины абсолютного показателя преломления воды n₁ в кювете 1. Для этого путем формирования световых пучков, пропускания их в воде кюветы 1 и воздушной среде и сведения световых пучков формируют три интерференционные картины, соответствующие трем интерференционным измерительным каналам. Первая интерференционная картина образуется в результате наложения одного светового пучка, проходящего от лазера 1 через поверхности 6,7,8 блока 5 к отражателю 9, далее к зеркалу 14, обратно к отражателю 9 и к поверхности 8 блока 5, и другого светового пучка, проходящего от лазера 1 через поверхности 6,7,8 блока 5 и отразившегося от зеркала 15, и регистрируется фотоприемником 18. Вторая интерференционная картина образуется в результате наложения одного светового пучка, проходящего от лазера 1 через светоделительные поверхности 6,7 блока 5 к отражателю 10, далее к зеркалу 13, отразившегося от зеркала 13, снова от отражателя 10 и возвратившегося к поверхности 7 блока 5, и другого светового пучка, прошедшего от лазера 1 через поверхности 6,7,8 светоделительного блока 5, отразившегося от зеркала 15 и прошедшего поверхность 8 блока 5, и регистрируется фотоприемником 17. Третья интерференционная картина образуется в результате наложения одного светового пучка, прошедшего от лазера 1 через поверхность 6 блока 5 к зеркалу 12, отразившегося от этого зеркала обратно к поверхности 6 блока 5, и другого светового пучка, проходящего от лазера 1 через поверхности 6,7,8 блока 5 к зеркалу 15 и обратно через поверхности 7, 8 к поверхности 6 блока 5, и регистрируется фотоприемником 16.

Измерение величины n₁ осуществляется путем перемещения (вручную или автоматически) штока 11 на расстояние порядка 1-3 см и одновременной регистрации с помощью фотоприемников 17, 18 и схем 28, 29 изменений порядка интерференции в первой и второй интерференционных картинах (N₁, N₂). После этого по формуле (3) рассчитывают результирующее значение n₁. Точность определения величины n₁ без особых затруднений может быть получена не худшей 2-3˙10^-5. В заключении этого этапа измеряют исходное значение порядка интерференции М₁ в третьей интерференционной картине (с помощью фотоприемника 16 и схемы 27).

После определения величины n₁ закрывают вентиль 20 и вновь открывают вентиль 19 (вентиль 20 закрывается для того, чтобы исключить утечки воды через подвижные уплотнения штока 11). В результате забортная вода начинает снова поступать в кювету 1 , а в третьей интерференционной картине начинает изменяться порядок интерференции (регистрация изменения порядка интерференции осуществляется с помощью фотоприемника 16 и схемы 27). В это время датчики 21, 22 и 23, 24 используются для измерения соответствующих давлений и температур, а схема 30 для сопоставления поступающих на нее измеренных значений температур и давлений. После завершения выравнивания температур и давлений в воде кюветы и забортной воде, которое регистрируется схемой 30, осуществляется регистрация результирующего значения порядка интерференции М₂ для третьей интерференционной картины и измерение температуры воды в кювете Т₂ с помощью датчика 23. Далее закрывают вентиль 19, открывают вентиль 20 и стравливают воду из кюветы 1 через специальный дренажный вентиль (не показан). На этом процесс измерения завершается. В заключении осуществляют расчет величины абсолютного показателя преломления забортной воды n₂ по формуле (1).

Следует отметить, что точность регистрации значений М₁ и М₂ может быть без труда полученной на уровне 0,01 порядка интерференции, точность измерения и неидентичность температур при выравнивании обычно не превышает 1^оС, а соответствующий показатель для давлений не превышает 0,01 атмосферы, поэтому результирующая точность определения второго члена, в формуле (1) оказывается не хуже 10^-4. В результате точность определения величины n₂ может быть получена не худшей 10^-4, т.е. на один-два порядка лучшей, чем для случая использования для подобных измерений неинтерференционных рефрактометрических средств на основе световолоконных рефрактометров.

Формула изобретения

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ, заключающийся в том, что определяют величину абсолютного показателя преломления воздушной среды рефрактометра с рабочей кюветой, имеющей две полости, контрольную и измерительную с базой К, заполняют контрольную полость рабочей кюветы морской водой, формируют три световых пучка, пропускают первый через воду в контрольной полости кюветы, а второй и третий через воздушную среду, формируют три интерференционные картины, первую путем сведения первого и второго световых пучков, вторую - путем сведения второго и третьего световых пучков, перемещают взаимосвязанные отражатели в контрольной полости рабочей кюветы и воздушной среде, регистрируют соответствующие измерения порядка интерференции в интерференционных картинах и рассчитывают величину абсолютного показателя преломления воды n₁ по определенному значению абсолютного показателя преломления воздушной среды и зарегистрированным значениям изменений порядка интерференции, отличающийся тем, что контролируют базу К измерительной полости кюветы при температуре T₁, формируют дополнительно два световых пучка, пропускают один из них через измерительную полость рабочей кюветы, а другой через воздушную среду, третью интерференционную картину формируют сведением дополнительных световых пучков, заполнение рабочей кюветы погруженного в воду рефрактометра производят в два этапа, при этом на первом этапе после определения абсолютного показателя преломления воздушной среды заполняют обе полости рабочей кюветы морской водой до давления 1,5 - 2,0 атм, после чего производят измерение абсолютного показателя преломления воды n₁ и фиксируют начальное значение порядка интерференции M₁ в третьей интерференционной картине, после этого продолжают заполнение морской водой только измерительной полости рабочей кюветы с выравниванием параметров воды в измерительной полости кюветы и вне рефрактометра, после завершения выравнивания фиксируют конечное значение порядка интерференции M₂ в третьей интерференционной картине и измеряют температуру воды T₂ вне рефрактометра, а результирующее значение абсолютного показателя преломления забортной морской воды n₂определяют по формуле n₂=n₁+(M₂-M₁)·λ·{2K[1+λ(T₂-T₁)}^-1, где λ - длина волны света;
α - коэффициент линейного расширения материала кюветы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2