Волоконно-оптический преобразователь скоростей морских течений

 

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и может быть использовано для измерения средних скоростей и характеристик турбулентности морских течений. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь скоростей морских течений содержит генератор вихрей потока и приемник вихрей потока, выполненный в виде сигнального и опорного волокон, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр Цендера-Маха. Сигнальное и опорное волокна свернуты в сетчатую структуру с чередующимися частями чувствительного и опорного волокон. Это позволяет надежно выделить на фоне турбулентных помех полезные пульсации потока, создаваемые генератором вихрей, и измерить среднюю скорость потока. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и гидрофизике и может быть использовано для измерения средних скоростей и характеристик мелкомасштабной турбулентности морских течений.

Известно устройство того же назначения, содержащее полый цилиндр, вдоль образующих которого установлены чувствительное и опорное волокна волоконно-оптического интерферометра [1] . Срывающиеся с цилиндра вихри регистрируются чувствительным и опорным волокнами интерферометра. Что позволяет по частоте вихрей определить скорость потока.

Недостатком известного устройства является низкое соотношение сигнал/шум на выходе волоконно-оптического интерферометра при его работе в турбулентном потоке.

Известен волоконно-оптический преобразователь скоростей морских течений [2], принятый за прототип.

Прототип содержит генератор вихрей жидкости в виде установленного поперек потока цилиндра и приемник вихрей жидкости, выполненный в виде чувствительного и опорного волокон, оптически связанных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр Цендера-Маха, при этом выход фотоприемника подключен через последовательно соединенные полосовой фильтр и усилитель к частотомеру.

В прототипе несколько подобных волоконно-оптических преобразователей устанавливают рядом друг с другом поперек потока для измерения поля скоростей морского течения.

Недостатком прототипа является сложность даже одного канала измерения скорости, связанная с необходимостью модуляции оптического сигнала и последующей демодуляции выходного электрического сигнала интерферометра.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение необходимости процессов модуляции и демодуляции оптического и электрического сигналов интерферометра в процессе измерения средней скорости потока, а также получение дополнительной информации о характеристиках мелкомасштабной турбулентности потока.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном волоконно-оптическом преобразователе, содержащем генератор вихрей жидкости в виде установленного поперек потока цилиндра и приемник вихрей жидкости, выполненный в виде чувствительного и опорного волокон, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр Цендера-Маха, при этом выход фотоприемника подключен через последовательно соединенные полосовой фильтр и усилитель к частотомеру. Приемник вихрей расположен на определенном расстоянии вдоль потока от генератора вихрей, а чувствительное и опорное волокна интерферометра Цендера-Маха свернуты в сетчатую структуру с чередующимися частями чувствительного и опорного волокон, лежащих в плоскости, ортогональной направлению потока, причем размеры ячеек сетчатой структуры потока задаются одинаковыми, а генератор вихрей жидкости выполнен с возможностью его смещения вдоль потока, а к выходу усилителя параллельно частотомеру подключен измеритель амплитуды пульсаций скорости.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг. 1 которого представлена механическая схема преобразователя, а на фиг. 2 - его оптико-электрическая схема.

Волоконно-оптический преобразователь скоростей морских течений содержит генератор вихрей жидкости в виде установленного поперек потока цилиндра 1 (фиг. 1) и приемник вихрей жидкости, выполненный в виде чувствительного и опорного волокон 2, 3 (фиг. 1, 2), оптически согласованных с источником 4 когерентного света (светодиодом) и фотоприемником 5 (фотодиодом) в интерферометр Цендера-Маха. При этом выход фотоприемника 5 подключен через последовательно соединенные полосовой фильтр 6 и усилитель 7 к частотометру 8 и измерителю 9 амплитуды пульсаций фототока (на практике приборы 8, 9 объединены, как правило, в один прибор). Преобразователь выполнен с возможностью изменения расстояния х между цилиндром 1 и приемником вихрей. А сам приемник вихрей выполнен в виде чувствительного и опорного волокон 2, 3, свернутых в сетчатую структуру 10 и согласованных в интерферометр Цендера-Маха. Размеры ячеек сетчатой структуры 10 выполнены одинаковыми. А форма ячеек выполнена преимущественно в виде квадратов.

Генератор и приемник вихрей закреплены на одной державке (не показана).

Связь волокон 2, 3 интерферометра с светодиодом и фотодиодом происходит по волоконному кабелю (не показан).

В воде располагаются только генератор и приемник вихрей. Название чувствительного и опорного волокон интерферометра - условное (по аналогии с прототипом), поскольку оба волокна 2, 3 являются по существу чувствительными.

Волоконно-оптический преобразователь скоростей морских течений работает следующим образом.

Перед эксплуатацией преобразователь подвергают градуировке для разных диапазонов средних скоростей U и турбулентных пульсаций u', а также расстояний Х (фиг. 1).

Затем его опускают на заданную глубину в морскую среду, установив оптимальное расстояние Х между генератором и приемником вихрей для заданного диапазона скоростей U.

Включают все электронные блоки преобразователя. На выходе фотоприемника 5 будут наблюдаться пульсации фототока, частота которых пропорциональна средней скорости U потока.

При этом несмотря на наличие в потоке турбулентных пульсаций скорости u' соотношение сигнал/шум на выходе фотоприемника 4 будет высокой. Поскольку масштаб полезных вихрей 11 (фиг. 1) будет оптимальным для заданного размера ячеек сетчатой структуры 10.

Нетрудно заметить, что пульсации большего (12) масштаба и значительно меньшего (13) масштаба по сравнению с полезными пульсациями (вихрями 11, срывающимися с цилиндра 1) будут или одинаково воздействовать на оба волокна 2, 3 интерферометра или не воздействовать вообще на них (проскакивать ячейку, не задевая волокон).

То есть на выходе преобразователя, помещенного в турбулентный поток, будет сигнал в виде небольшой девиации частот. Максимум частотного распределения даст информацию о средней скорости потока.

При этом сигнал фототока с фотоприемника сначала проходит полосовой фильтр 6, затем усилитель 7, а затем подается на частотомер 8, проградуированный в единицах скорости.

Если необходимо измерить дополнительно характеристики мелкомасштабной турбулентности потока морского течения, то генератор вихрей (цилиндр 1) или сдвигают в сторону от приемника вихрей, или расстояние Х увеличивают так, чтобы вихри 11 не влияли на характеристики турбулентности потока. Если этого не делать, то влияние генератора вихрей на характеристики турбулентности потока можно учесть при обработке сигнала.

При этом регистрация статистических характеристик турбулентного потока проводится с помощью частотометра 8 и измерителя 9, объединенных в едином приборе.

Таким образом, практическая реализация изобретения позволяет измерить среднюю скорость потока без применения модуляции оптического излучения и последующей демодуляции фототока, как в прототипе. На выходе фотоприемника интерферометра регистрируется сигнал, пропорциональный сразу средней скорости потока с высоким соотношением сигнал/шум.

Кроме того, с помощью преобразователя можно дополнительно измерять статистические характеристики мелкомасштабной турбулентности, чего не позволял сделать прототип. Этим достигается поставленный выше технический результат.

Источники информации 1. Заявка 59-21484, Японии 1 F1/32, 1984.

2. Патент 2105986 РФ, кл. G 01 P 5/00, 1998 - прототип.

Формула изобретения

Волоконно-оптический преобразователь скоростей морских течений, содержащий генератор вихрей жидкости в виде установленного поперек потока цилиндра и приемник вихрей жидкости, выполненный в виде чувствительного и опорного волокон, оптически согласованных с источником когерентного света и фотоприемником в интерферометр Маха-Цендера, при этом выход фотоприемника подключен через последовательно соединенные полосовой фильтр и усилитель к частотомеру, отличающийся тем, что генератор вихрей жидкости выполнен с возможностью его смещения вдоль потока относительно приемника вихрей, а чувствительное и опорное волокна интерферометра Маха-Цендера представляют собой сетчатую структуру из чередующихся частей чувствительного и опорного волокон, лежащих в плоскости, ортогональной направлению потока, причем размеры ячеек сетчатой структуры задаются одинаковыми, а к выходу усилителя параллельно частотомеру подключен измеритель амплитуды пульсаций скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2