Датчик пространственного распре-деления параметров водной среды

 

И (". А Н И И

Союз Совечсиих

Социалистических

Ресттублии

<и)805158

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авч. с вид-ву (22) Заявлено 16.02.79 (21) 2733293/18-25 с присоединением заявки,% (23) П риорнтет

Опубликовано 15.02.81. Ьюллетень М 6 (51jM, Кл.

С 01 М 27/02

1осудорстввнный комнтет

СССР до долам нзобратеннй и открытий (53) УДК 543.257 (088.8) Дача опубликования описания 19.02.81 (72) Автор изобретения

А. А. Новиков (71) Заявитель (54) ДАТЧИК ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Устройство относится к технике измерения профилей физических параметров сред с помощью электрических датчиков и может быть использовано при научных: экспериментах, в особенности океанологическчх исследованиях для измерения про5 странственных распределений, например температуры или электропроводности морской воды по глубине.

Известны устройства, предназначенные для измерения пространственного распределения (профиля) параметров водной сре ды, в которых в качестве датчика используются сосредоточенные элементы, например платиновые проволочные термометры,, кондуктометрические индуктивные ячейки, пьезокерамические преобразователи и др.

В таких датчиках значение измеряемого параметра представлено величиной, осредненной по некоторому непосредственно примыкающему к ним объему среды.

Поэтому, для измерения пространственного .распределения параметров войной среды применяется либо совокупность

3 большого числа пространственно разнесенных однотиттных датчиков, объединенных G иэмерительнуто сеть, либо отдельм. ный датчик, механичестси перемещаемый в среде вдоль линии исСледуемтко профиля (зондирование) f 11.

Сложность, высокая стоимость и недостаточное пространственное разрешение, свойственные измерительной сети сосредоточенных датчиков с одной стороны, и ограниченная скорость и трудоемкость операции механического зондирования с другой, являются недостатками известных методов имерения. Бель изобретения - упрощение к< нот= рукции.

Бель достигается применением известной электромагнитной линии передачи в, качестве датчика пространственного раопределения параметров водной среды.

На фиг. }. изображена эквивалентная электрическая схема электромагнитной линии передачи на фиг . 2 - схемы электромагнитной линии с неоднородностями в

3 80 вийе параллельного (g) и последовательного (d ) включения активного сопротивления и соответствующие осциллогрйммы выходного сигнала ($), получаемые на экране .,импульсного рефлектоме1ра; на фиг. 3 — предлагаемое устройство для измерения пространственного распределения параметров водной среды.

Электромагнитные линии передачи

{ЭЛП), или линии с распределенными параметрами, представляют направляющую структуру (устройство) для распрос-.ранения электромагнитных колебаний и используется, в основном, в качестве линий связи, а также для излучения и приема электромагнитных сигналов. Несмотря на разнообразие типов ЭЛП, в целях более конкретного изложения и беэ нарушения общности, достаточно рассмотреть один из типов, например коаксиальный кабель.

Электрические свойства коаксиально-го кабеля полностью определяются его первичными и вторичными параметраьщ, отнесенными к единице длины.

Первичными параметрами являются:

R - активное. сопротивление, L - индуктивность, G — проводимость, С - емкость.

Иэ вторичных параметров отметим прежде всего волновое сопротивление Ю и коэффициент распространения

По критерию, сохранения постоянства значений параметров ЭЛП, по ее длине принято разделять линии на два класса; однородные. и неоднородные. По однородной линии передачи электромагнитные ко-. лебания распространяются от. генератора к нагрузке не претерпевая отражений. При наличии Отклонения от однородности в месте каждой локальной неоднородности возникает отражение энергии, причем .параме ры отраженного сигнала определяются природой (емкостной, индуктивной, резистивной и пр.) и величиной, вызыва ющей его неоднородности. Это свойство используется в. методах выявления и конгроля неоднородностей линии передачи.

Возможность испОльзования ЭЛП B качестве датчика распределения параметI ров внешней среды основана на подверженности параметров ЭЛП влиянию того или иного физического поли внешней среды.

Такая чувствительность" в обычных применениях ЭЛП является нежелательной, но

8i88 4 она может оказаться естественным свойством для некоторых типов линий, например зависимость характеристик распространения открытой (неэкранированной) двухпроводной линии от импеданса внешней среды, т.е. от ее электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости. При необходимости очувствление" ЭЛП производят искусственно, например за счет умышленного использования в конструкции ЭЛП материалов с повышенной заlO висимостью электрических c906crB от величины интересующего параметра внешней среды (температуры, давления, освещенности, напряженности магнитного поля и пр.). В экранированных, например, коаксиальных ЭЛП со стабильными характеристиками материалов преобразование распределения электрических параметров внешней среды осуществляют ии6о с электромагнитного импульса и приеме эхо-сигнала, отразившегося от неоднородностей линии.

После присма и масштабно-временного (координатного) преобразования сигнал

55 может быть индицирован иа экране ЭЛП (зафиксирован на самописце) непосредственно в аналоговом виде, либо подвергнут дальнейшему аналого-цифровому преобрапомощью дискретно распределенных в кабеле апертур, либо непрерывно за счет неплотной укладки наружной оплетки кабеля.

Результатом перечисленных мер является преобразование но всей .длине Э,ЙП значений вь6ранного параметра вйешней среды (электропроводности или температуры, давления и т.д,) в первичные параметры ЭЛП и, в соответствии с (1), (,2),a значения волнового сопротивления и коэффициента распространения.

Таким образом, нри размещении подобной однородной ЭЛП в неодиородной, 35 напримерФводой-среде BWHOBoe сопро, - тивление ЭЛП становится неоднородным по длине, причем характер распределеиия неоднородности находится в однозначном

° соответствии с распределением вдоль

Э 1П исследуемого параметра средьь Это

4Q позволяет использовать ЭЛП в качестве датчика пространственного распределения параметров водной среды. При этом для получения информации о характере распределения неоднородности ЭЛП может быть

49 применей один из известных методов. Наиболее удобным,, в данном случае представляется метод импульсной рефлектометрии. Сущность этого метода заключается в посылке в ЭЛП зондирующего

5 8051 эованию для регистрации в цифровом виде.,, По величине и форме отраженных импульсов определяется характер локальных не- однородностей исследуемой водной cpetu», а по моменту их появления опрелеляет5 ся местоположение этих неоднородностей вдоль ЭЛП в момент проведения измерения, Для получения пространственно-временных (или многомерных пространствен:ных} разделений достаточно повторять посылки зондирующих импульсов в ЭЛП через необходимые интервалы времени (или в заданных пунктах профиля). Высокая чувствительность современных .масштабнсь-временных, например стробоскопических преобразователей (единицы и доли милливольт) позволяет регистрировать неоднородности с коэффициентом отраже"Э 4 ния менее 10 — 10 и с пространствен- ным разрешением в елиницы сантиметров.

Учитывая такую высокую чувствительность, связь параметров распределения исслефе мой величины с величинами устанавливающихся в ЭЛП и соответствующих этомф распределению коэффициентов отражения может быть подобрана таким образом, что ослабление сигнала, вызванное отражениями, будет несущественным равФ но как и прямые потери в пределах используемого для преобразования участка длины Элй. мых ввиду малого затухания сигнала .линии, может явиться латчик на базе двухпроводной ЭЛП. Йвухпроволкая линия является открытой, частично излучающей„ линией, поэтому электрические свойства среды, окружающей эту линию, в значительной мере определяют распределенные параметры ЭЛП, и,в первую очередь,волновое сопротивление.. В этом случае лока льная неоднородность, обусловленная изменением электропроводности среды, может быт ь представлена на эквивалентной . схеме B виде элемента в проводимостью

С » "/ф включенного параллельно (шун тирующее включение) в линию с чисто активным волновым сопротивлением Мб (фиг. 2а). Учитывая, что магнитная и диэлектрическая проницаемости, воды практическии ooc70HHHbt и малы s диапазоне реальных температур, соленостей и частот, для демонстрационных целей правомерно допущение чисто активной проводимости.

При использовании в качестве зондирующего сигнала перепада напряжения единичной амплитуды и длительностью фронта t, т,е. вида

Применейие в качестве датчика ЭЛП с замедлением фазовой скорости электромагнитной волны, например коаксиальной линии со спиральной формой центрального проводника, позволяет. при необходимости многократно увеличить пространственное разрешение предлагаемого устройства.

Время, необходимое для проведения зондирования ЭЛП, определяется длиной линии фазовой скорости распространения по ней электромагнитных колебаний, которая для коаксиальной ЭЛП с полистироловым с диэлектриком составляет величину Ч >=у, где С вЂ” сксрость света. Возможность использования предлагаемого датчика для измерения пространственного распределения параметров среды ниже поясняется примером.

Пример. При исследованиях тонкой слоистой структуры природных вод представляется удобным использовать предлагаемый датчик для KQHTpolBi за пространственным распределением таких, например, параметров, как электропроводность, температура. В случае малых значений элект1 ропроводности, например, в пресной иоде, одним иэ простых вариантов, приемлеотраженный сигнал имеет ту же форму, а его амплитуда в случае малой неоднородности будет равна

При достаточной длительности зонди рующего сигнала он складывается с от<0 .раженным, образуя на входе ЭЛП суммарный сигнал

t ьф

U9) = — Цс) - a (t-t ) ф t ь |- )

so показанный линией а на фиг. 2в. Ъ \Ю

Координата неоднородности, отсчитываемая от начала линии, Х= Ч,р1р/2, гле t y — время запаздывания переднего фронта отраженного сигнала, à Y — скорость распространения сигнала в линии.

Если при использовании осциллографа в качестве индикатора. его вертикальную ось проградуировать в величинах элект» как и в варинате двухпроводного датчика, B пределе, увеличивая количество участков со снятым внешним проводником и уменьшая их длину (переход к случаю коаксиальной линии передачи, у которой внешним проводником является вода), получим непрерывный профиль распределения неоднородностей, соответствующий вариациям величины электропроводности воды вдоль линии.

Аналогичным образом может быть описано применение коаксиальной экранированной линии в качестве датчика прост ранственного распределения температур морской воды.

Температура представляет собой параметр среды, не влияющей непосредственно на распространение .электромагнитных колебаний в ЭЛП, поэтому для измерения распределения температуры предварительно должно быть произведено иреобразование ее значений в один их первичных параметров ЭЛП, например в изменение емкости, в том числе и за счет температурной зависимости диэлектрической проницаемости материала диэле,ктрика. Вариант с температурнбй зави- симостью активного сопротивления представляется более предпочтительным, поскольку неоднородности реактивного тида могут ограничить разрешающую способность„ датчика. В этом случае для увеличения чувствительности цатчика желательно использовать в проводниках линии материал с повышенной зависимостью удельной электропроводности от температуры.

Перечисленные варианты датчиков могут использоваться как в составе автоматической буйковой станц11и заякоренного или дрейфующего судна, лак и в режиме буксировки. Специфика использования датчика в составе автоматических буйковых станций заключается лишь в отсутствии необходимости визуализации результатов измерения и ручного управлеНия, в то время как на судне такая возможность обычно желательна. датчик применим также в других областях. Очевидной является возможность измерения распределения параметров сыпучих и газообраэных сред, кроме того, при размещении в скважинах датчик может быть

1использован для контроля; изменений профиля электропроводности в интересах прбгноэирования землетрясений, для геофизического каротажа и др.

Применение известной электромагнитной линии передачи в качестве датчика

7 8051 ропроводности водной среды,. то можно непосредственно по осциллограмме определять относительные величины локал ных значений электропроводности воды вдоль датчика. При К„>> отра5 женный сигнал имеет величину Vg

2R

В пределе, увеличивая на линии коли- чество участков с учитываемой шунтируюс щей неоднородностью (электропроводностью воды) и уменьшая их длину, получим, распределение неоднородностей в линии, соответствующее распределейию электропроводности воды вдоль линии.

При этом на индикаторе (регистраторе) импульсного рефлектометра будет отображаться сигнал, соответствующий мгновенному непрерывному профилю простран- ственного, распределения электр опроводности. Розможность определения параметров системы неоднородностей линии показана в работе. В случае сред с высоким значением электр опроводпости (морской воды) в качестве датчика tIpoстранственного распределейия электропроводности среды целесообразно использовать либо однопроводную линиЮ(изолированный проводник без экрана), либо коаксиальный экранированный кабель с искусственно ослабленной экранирующей спосо- ® бностью, например, за счет уменьшения толщины внешнего экранирующего проводника, или за счет его частичного удаления (при полном удалении получим вариант однопроводной линии).

При удалении внешнего, проводника ли 15 иии на отдельном участке эквивалентная электрическая. схема может быть Предста.— влена следуыщим образом (фиг, 38 )ь G6рмовавшаяся в месте удаления дискре-. тная неоднородность, обусловленная из40 менением электропроводности (электрапроводность морской воды вместо электропроводности металла внешнего проводникa), представлена здесь, в отличие от варианта двухпроводной линии, элементом, 45 в виде активного сопротивления 6», после. довательно включенного в линию о волио вым сопротивлением М. При зонЪ >бвйнии такой неоднородности с помощью импульсного рефлектометра единичным переМдбм 50 йапряжения амплитуда отраженного сигнала, 1,, а длительность фронта

ЯФ 2Ф/ (как и B предыдущем варианте двухпроводного датчика) сохраняется равной дли тельности фронта зондирующего импульса. Суммарный сигнал на входе показан линией "д на фиг, 26 Координата нео нородности условно принята такой же, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Маклаков А. Ф. Океанологические приборы. Л., Гидрометеоиздат, 1975, с. 17 (прототип).

808i пространственного распределения парамет» .ров среды оказалось воэможным благода-ря использованию зависимости распределения параметров линии (волнового сопро-. тивления) от распределения вдоль ликии физических параметров среды.

Применение известной электромагнитной линии передачи в качестве датчика, а рефпектометра. в качестве измерителя пространственного распределения парамет- lg ров среды имеет преимушества, так как устройство просто по конструкции и удобно в эксплуатации, не вносит существенных возмущений в исследуемую среду, обеспечивает более высокую скорость $5 проведения измерений по сравнению с известными, может применяться в океанологических исследованиях, как в лабораторных бассейнах, так и в экспедици онных условиях с борта судна, либо в составе автоматической буйковой станции, Аппаратура поддается оперативным модификациям и допускает возможности различных вариантов конструктивного выполнения в соответствии с целями и условиями прЬводимвж измерений.оополнительным преимушеством предпагаемого устройства является отсутствие необходимости в исследовательской аппаратуре, требующей

58 10 герметизации и защиты от давления, что способствует еще большей экономии от внедрения предложения в практику океан ологических иеследований., Использование электромагнитной линии передачи в качестве датчика пространст венного распределения параметров водной среды сокращает расходы на разработ- . ку, совершенствование и,эксплуатацию устройств,. с датчиками сосредоточенного типа, прнменяемых при снятии простран-. ственных распределений параметров воднаф среды методом ее "механического зондирования и методом датчиковой измерительной сети.

Формула изобретения

Применение электромагнитной линии передачи в качестве датчика пространственного распределения параметров водной среды.

805158

ФигЗ

Составитель М, Кривенко

Техред . М.Гопника Корректор Г. Решетник

Редактор М. Келемеш

Филиал ППП Патент", г. Ужгород, уп. Проектная, 4

Заказ 10868/63 Тираж 918 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35 Раушская наб„д. 4/5