Волоконно-оптический измеритель гидрофизических параметров морской среды

 

Использование: для измерений параметров морской среды, таких как пульсации плотности, скорости и скоростного напора интерференционным способом. Сущность изобретения: в потоке жидкости располагают первичный преобразователь (ПП) волоконно-оптического измерителя (ВОИ), выполненного в виде двух волоконных интерферометров (ВИ). Первый ВИ выполнен в виде двух волоконных катушек, расположенных вдоль подложки, обладающей в потоке градиентом давления. Второй также выполнен в виде двух катушек, одна из которых содержит термочувствительный элемент (ТЧЭ), нагреваемый специальным радиационным нагревателем, оптически согласованным через ВИ с ТЧЭ. Первый ВИ представляет собой по существу трубку Пито-Прандтля, чувствительную к пульсации скоростного напора, а второй ВИ представляет термоанемометр, чувствительный к пульсациям скорости. Путем обработки получаемых с ВИ сигналов определяют пульсации плотности морской среды. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для измерений параметров морской среды, таких как пульсаций плотности, скорости и скоростного напора интерференционным способом.

Известен измеритель пульсаций плотности морской среды интерференционным способом [1] Недостатком известного измерителя является громоздкость первичного преобразователя (интерферометра) и его подверженность влиянию вибраций корпуса прибора.

Известен волоконно-оптический измеритель гидрофизических параметров морской среды, содержащий волоконные катушки, оптически связанные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, а также усилитель и регистратор пульсаций плотности, вызванных акустическими волнами [2] (прототип).

Недостатком прототипа является невозможность с его помощью дополнительно измерять пульсации скорости и скоростного напора морской среды.

Цель изобретения расширение количества измеряемых параметров морской среды за счет измерения пульсаций скорости и пульсаций скоростного напора.

Цель достигается тем, что в известный волоконно-оптический измеритель (ВОИ) гидрофизических параметров морской среды, содержащий первую и вторую волоконные катушки, оптически связанные в первый интерферометр с первыми источником когерентного света и фотоприемником, а также первый усилитель и регистратор пульсаций плотности, дополнительно вводят третью и четвертую волоконные катушки, оптически связанные во второй интерферометр с вторыми источником когерентного света и фотоприемником, а также термочувствительный элемент, радиационный нагреватель, поглощающий оптический фильтр, три фазосдвигающих устройства, первый и второй блоки управления фазосдвигающими устройствами, третий блок управления радиационным нагревателем, два фильтра низких частот, второй усилитель с управляемым коэффициентом усиления, источник опорных напряжений, компаратор, квадратор, масштабирующее устройство, делитель, регистратор пульсаций скоростного напора, при этом термочувствительный элемент совмещен с частью витков третьей волоконной катушки второго интерферометра и оптически связан с радиационным нагревателем, подключенным к третьему блоку управления, поглощающий оптический фильтр установлен перед вторым фотоприемником и выполнен на длину волны излучения радиационного нагревателя, третья и четвертая волоконные катушки второго интерферометра закреплены друг за другом на подложке, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности, первые и вторые фазосдвигающие устройства установлены в одной или различных волоконных катушках первого интерферометра и подключены соответственно к первому блоку управления и выходу первого усилителя, третье фазосдвигающее устройство установлено в одной из катушек второго интерферометра и подключено к второму блоку управления, выход первого фотоприемника через последовательно соединенные первый фильтр низких частот и первый усилитель подключен к первому входу делителя и регистратору скоростного напора, выход второго приемника через последовательно соединенные второй фильтр низких частот и второй усилитель подключен к первому входу компаратора, выход источника опорных напряжений соединен с вторым входом компаратора и управляемым входом второго усилителя, выход компаратора подключен к управляемому входу третьего блока управления, входу квадратора и регистратору пульсаций скорости, выход квадратора через масштабирующее устройство соединен с вторым входом делителя, подключенным выходом к регистратору пульсаций плотности.

В частном случае волоконные катушки обоих интерферометров могут быть установлены на цилиндрической подложке с обтекаемой носовой частью соосно подложке заподлицо к ее поверхности, причем первая волоконная катушка расположена на носовой части подложки, а остальные на ее цилиндрической поверхности на расстоянии (3-8)d от носовой части, где d диаметр подложки, при этом третья катушка выполнена наиболее удаленной от носовой части подложки, а ее термочувствительный элемент расположен на наружном витке третьей волоконной катушки и теплоизолирован от ее остальных витков.

При этом расстояния между первой и второй, третьей и четвертой катушками задаются одинаковыми.

В частном случае третья и четвертая волоконные катушки второго интерферометра выполнены из кварцевого световода, термочувствительный элемент третьей волоконной катушки из полимерного световода, при этом второй источник когерентного света выполнен на длину волны в диапазоне 0,6-0,8 мкм, а радиационный нагреватель на длину волны в диапазоне 0,9-0,95 мкм.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема измерителя; на фиг.2 конструкция первичного преобразователя ВОИ; на фиг.3 временные диаграммы, поясняющие принципы работы ВОИ.

Волоконно-оптический измеритель гидрофизических параметров морской среды содержит первичный преобразователь, выполненный из двух волоконных интерферометров. Первый волоконный интерферометр содержит волоконные катушки 1, 2, оптически связанные с источником 3 когерентного света через вводное оптическое устройство 4 и фотоприемником 5 через выводное оптическое устройство 6.

В одной из волоконных катушек, например 1, установлено два фазосдвигающих устройства 7 и 8.

Второй волоконный интерферометр также выполнен в виде двух волоконных катушек 9, 10, причем катушка 9 содержит совмещенный с ней термочувствительный элемент 11. Имеется источник 12 когерентного света и радиационный нагреватель 13, оптически согласованные через полупрозрачное зеркало 14 и вводное оптическое устройство 15 с волоконными катушками 9, 10, а через выводное оптическое устройство 16 и поглощающий оптический фильтр 17 с фотоприемником 18. В одной из волоконных катушек, например в катушке 9, установлено фазосдвигающее устройство 19.

Фазосдвигающее устройство 7 первого интерферометра подключено к блоку 20 управления, фазосдвигающее устройство 19 второго интерферометра подключено к блоку 21 управления.

Электронная часть ВОИ включает в себя фильтры 22, 23 низких частот, усилители 24, 25 (усилитель 25 выполнен с управляемым входом по усилению), источник 26 опорных напряжений, компаратор 27, квадратор 28, масштабирующее устройство 29, делитель 30, блок 31 управления радиационным нагревателем 13.

Имеются также три регистратора гидрофизических пульсаций морской среды: регистратор 32 пульсаций скорости, регистратор 33 пульсаций скоростного напора, регистратор 34 пульсаций плотности морской среды.

Схема соединений электронных блоков (20,34) показана на фиг.1.

Термочувствительный элемент 11 представляет собой часть волоконной катушки 9 и изготовляется путем создания в этой части катушки области с повышенным коэффициентом поглощения излучения радиационного нагревателя 13. При этом когерентное излучение источника 12 не должно значительно поглощаться в термочувствительном элементе 11.

Термочувствительный элемент 11 изготовляется из полимерного волокна, а сами волоконные катушки 9, 10 из кварцевого волокна, при этом источник 12 когерентного света выполняется на одну из длин волн в диапазоне 0,6-0,8 мкм, а радиационный нагреватель на одну из длин волн в диапазоне 0,9-0,95 мкм.

Поскольку кварцевое волокно в диапазоне 0,6-0,8 мкм имеет потери всего 0,2 дБ/км, а полимерное в диапазоне 0,9-0,95 мкм 1000 дБ/км и более (а в диапазоне 0,6-0,8 мкм на несколько порядков меньше), то термочувствительный элемент 11 будет значительно поглощать излучение радиационного нагревателя 13, но пропускать в достаточной степени когерентное излучение источника 12. Подбором длины волокна в катушках 9, 10 и коэффициента передачи света в местах их соединений интенсивность интерферирующих лучей на выходе интерферометра устанавливают примерно одинаковой.

Чтобы излучение радиационного нагревателя 13, проходящее через волоконную катушку 10, не попадало на фотоприемник 18, перед ним устанавливают поглощающий оптический фильтр 17 на длину волны радиационного нагревателя 13.

Фазосдвигающие устройства 7, 8, 19 могут быть выполнены в виде пьезошайб (на чертежах не показаны), на боковые поверхности которых наматывается часть волокна катушек 1, 9. Блоки 20, 21 управления в этом случае представляют собой управляемые источники электрического напряжения.

Блок 31 управления представляет собой источник питания радиационного нагревателя 13 с управляемым входом.

Остальные электронные блоки особенностей не имеют.

Конструктивно волоконные катушки 1, 2 устанавливаются на подложке 35 (фиг. 2), обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности. Подложка 35 может быть выполнена цилиндрической формы с обтекаемой носовой частью 36 (например, полушаровой). При этом катушка 1 устанавливается на носовой части 36 для регистрации полного давления скоростного напора потока, а катушка 2 на цилиндрической поверхности подложки, на расстоянии (3-8)d от ее носовой части для регистрации гидростатического давления в потоке.

Волоконные катушки 9, 10 также могут быть установлены на цилиндрической подложке 35. Причем наиболее удаленной от носовой части 36 подложки 35 устанавливается катушка 9 с термочувствительным элементом 11 (на фиг.2 не показан) для предотвращения влияния теплового спутного следа на результаты измерений.

Все катушки устанавливаются друг за другом заподлицо к поверхности подложки. При этом термочувствительный элемент устанавливается на наружных витках катушки 9 и теплоизолирован от ее остальных витков. Это повышает чувствительность термочувствительного элемента к пульсации скорости и предотвращает генерацию первичным преобразователем ВОИ собственных пульсаций.

Волоконные катушки 1, 2, 9, 10 вместе с подложкой 35 располагаются в исследуемой среде за бортом 37 (фиг.1) носителя (на чертежах не показан). Все блоки электронной аппаратуры вместе с оптическими элементами интерферометров располагаются внутри носителя. Волоконные катушки 1, 2, 9, 10 соединяются с оптическими элементами на носителе волоконными световодами 38 (фиг. 2). Для получения одинакового пространственного осреднения пульсаций волоконные катушки 1, 2 и 9, 10 располагаются на одинаковых расстояниях друг от друга (на фиг.2 не показано).

Фазосдвигающие устройства 7, 8, 9 удобно расположить внутри подложки 35, выполняемой в этом случае полой.

Как вытекает из описания ВОИ, последний представляет собой по существу два независимых прибора: трубку Пито-Прандтля и термоанемометр, но выполненные в волоконно-оптических вариантах. Термоанемометр измеряет пульсации скорости v, а трубка Пито-Прандтля пульсации скоростного напор ρ v²/2. Возведением пульсаций скорости в квадрат и делением на два с последующим делением измеренных пульсаций скоростного напора v²/2 находят пульсации плотности ρ.

Конкретно предложенная схема ВОИ работает следующим образом.

Устанавливают первичный преобразователь вдоль направления потока жидкости со средней скоростью v. С помощью фазосдвигающих устройств 7, 19 и их блоков 20, 21 управления выводят рабочую точку А (фиг.3) на выходных кривых 39 интерферометров в положения, при которых разность фаз Δϕ=π /2 для заданных скоростей потока и величины нагрева термочувствительного элемента 11. Присутствующие в потоке турбулентные пульсации скорости v (обозначенные на фиг.3 позицией 40), воздействуя одновременно на все волоконные катушки 1, 2, 9, 10, смещают точку А из первоначального положения, вызывая появление на выходах фотоприемников 5, 18 пульсаций фототока, обозначенные на фиг.3 позицией 41.

Поскольку на катушку 1 воздействует полное давление потока, а на катушку 2 только гидростатическое давление, сигнал 41 на выходе фотоприемника 5 будет пропорционален пульсации скоростного напора ρ v²/2. Данный сигнал отфильт- ровывается от высокочастотных шумов фильтром 22 низких частот, усиливается усилителем 24 и поступает одновременно на регистратор 33 пульсаций скоростного напора и на фазосдвигающее устройство 8. Последнее вновь возвращает положение точки А в первоначальное.

Сигнал с фотоприемника 18 будет пропорционален пульсациям скорости потока v, поскольку последние, воздействуя на перегретый термочувствительный элемент 11, вызывают его охлаждение и появление разности фаз Δϕ интерферирующих лучей.

Степень нагрева, а значит и чувствительность ВОИ к пульсациям скорости, задается источником 26 опорных напряжений. При этом изменение чувствительности волоконного термоанемометра компенсируется соответствующим изменением коэффициента усиления усилителя 25, чтобы не изменился масштаб регистрируемых пульсаций скорости v. Выходной сигнал с фотоприемника 18 через фильтр 23 низких частот и усилитель 25 поступает на первый вход компаратора 27, в котором сравнивается с сигналом источника 26 опорных напряжений. Разностный сигнал с компаратора 27, пропорциональный пульсациям скорости v, одновременно поступает на регистратор 32 пульсаций скорости и управляемый вход блока 31 радиационного нагревателя 13. Последний так изменяет интенсивность своего излучения, что температура термочувствительного элемента 11 восстанавливается до первоначальной, а разность фаз Δϕ вновь становится равной π/2.

Сигнал с выхода компаратора 27 возводится в квадрат компаратором 28 и делится на два с помощью масштабирующего устройства 29. В делителе 30 величина скоростного напора ρ v²/2 делится на величину v²/2. После чего на выходе делителя 30 появляется сигнал, пропорциональный пульсации ρ скоростного напора, регистрируемый регистратором 34.

Все катушки интерферометров находятся в одной исследуемой среде, поэтому на их показания не будут влиять изменения средних гидрофизических величин: гидростатического давления, средней температуры, солености и т.п. Низкочастотные (крупномасштабные) пульсации перечисленных величин с масштабом порядка l и более (где l расстояние между первой 1 и последней 9 волоконными катушками (фиг.2), также не оказывают влияния на результаты измерений.

Высокочастотные (мелкомасштабные) пульсации гидрофизических величин, масштабом меньше l, вызывают на выходах интерферометров высокочастотные шумы, отфильтровываемые фильтрами 22, 23 низких частот.

Этими же фильтрами отфильтровываются и гидроакустические помехи, еще более высокочастотные по сравнению с помехами гидрофизического характера.

Частоты среза фильтров низких частот задают исходя из величин средней скорости v потока и диаметра подложки d. Поскольку катушки 1, 2, 9, 10 располагаются на расстоянии не меньшем (3-8)d, то предельное пространственное разрешение предложенного варианта ВОИ будет примерно 4d. То есть при диаметре подложки несколько мм предельное пространственное разрешение данного варианта ВОИ равно 2 см, что для условий морской среды вполне приемлемо.

Возможно применение ВОИ в буксирном варианте, когда первичный преобразователь буксируется с известной скоростью v в неподвижной морской среде (в отсутствии средней скорости потока). В буксирном варианте ВОИ принцип работы прибора эквивалентен описанному выше.

Таким образом, предложенный ВОИ позволяет измерять несколько гидрофизических параметров морской среды в условиях гидрофизических и гидроакустических помех.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический измеритель гидрофизических параметров морской среды, содержащий первую и вторую волоконные катушки, оптически связанные в первый интерферометр с первыми источником когерентного света и фотоприемником, а также первый усилитель и регистратор пульсаций плотности, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью и четвертую волоконные катушки, оптически связанные во второй интерферометр с вторыми источником когерентного света и фотоприемником, а также термочувствительный элемент, радиационный нагреватель, поглощающий оптический фильтр, три фазосдвигающих устройства, первый и второй блоки управления фазосдвигающими устройствами, третий блок управления радиационным нагревателем, два фильтра низких частот, второй усилитель с управляемым коэффициентом усиления, источник опорных напряжений, компаратор, квадратор, масштабирующее устройство, делитель регистратор пульсаций скорости и регистратор пульсаций скоростного напора, при этом термочувствительный элемент совмещен с частью витков третьей волоконной катушки второго интерферометра и оптически связан с радиационным нагревателем, подключенным к третьему блоку управления, поглощающий оптический фильтр установлен перед вторым фотоприемником и выполнен на длину волны излучения радиационного нагревателя, третья и четвертая волоконные катушки второго интерферометра закреплены одна за другой на подложке, обладающей в потоке градиентом давления вдоль своей поверхности, первое и второе фазосдвигающие устройства установлены в одной или различных волоконных катушках первого интерферометра и подключены соответственно к первому блоку управления и выходу первого усилителя, третье фазосдвигающее устройство установлено в одной из катушек второго интерферометра и подключено к второму блоку управления, выход первого фотоприемника через последовательно соединенные первый фильтр низких частот и первый усилитель подключен к первому входу делителя и регистратору скоростного напора, выход второго фотоприемника через последовательно соединенные второй фильтр низких частот и второй усилитель подключен к пермому входу компаратора, выход источника опорных напряжений соединен с вторым входом компаратора и управляемым входом второго усилителя, выход компаратора подключен к управляющему входу третьего блока управления, входу квадратора и регистратору пульсации скорости, выход квадратора через масштабирующее устройство соединен с вторым входом делителя, подключенным выходом к регистратору пульсаций плотности.

2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что волоконные катушки обоих интерферометров установлены на цилиндрической подложке с обтекаемой носовой частью, соосно с подложкой заподлицо к ее поверхности, причем первая волоконная катушка расположена на носовой части подложки, а другие на ее цилиндрической поверхности на расстоянии (3 8)d от ее носовой части, где d - диаметр подложки, при этом третья катушка выполнена наиболее удаленной от носовой части подложки, а ее термочувствительный элемент расположен на наружном витке третьев волоконной катушки и теплоизолирован от остальных ее витков.

3. Измеритель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что расстояния между первой и второй, третьей и четвертой волоконными катушками равны между собой.

4. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что третья и четвертая волоконные катушки второго интерферометра выполнены из кварцевого световода, термочувствительный элемент третьей волоконной катушки из полимерного световода, при этом второй источник когерентного света выполнен на длину волны в диапазоне 0,6 0,8 мкм, а радиационный нагреватель на длину волны в диапазоне 0,9 0,95 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3