ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В МОРСКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2004 года по МПК G01C13/00 G01P5/00 

Изобретение относится к области гидрофизических измерений и может быть использовано для исследования динамики гидрофизических процессов в натурных условиях.

Известен измеритель параметров внутренних волн в морской среде, выполненный в виде двух волоконно-оптических интерферометров. При этом волоконные катушки первого интерферометра закреплены у основания цилиндрической подложки, одна из волоконных катушек второго интерферометра намотана с равномерным шагом на боковой поверхности подложки, а другая волоконная катушка второго интерферометра расположена внутри подложки [1].

Измеряя с помощью двух интерферометров скалярные величины морской среды (градиент давления и среднюю температуру) косвенным методом определяют пульсации вертикальной скорости в среде.

Недостатками известного измерителя являются косвенный характер определения параметров внутренних волн и сложность оптической схемы измерителя, содержащей два интерферометра.

Известен измеритель параметров внутренних волн, принятый за прототип, содержащий кинематически связанные буй нейтральной плавучести и поплавок нейтральной плавучести, на которых напротив друг друга жестко закреплены излучатель и приемник акустических импульсов, расположенные в морской среде, а также последовательно соединенные с выходом приемника акустических импульсов преобразовательную и обрабатывающую аппаратуру, расположенную внутри буя нейтральной плавучести [2].

В прототипе на буе нейтральной плавучести установлен импульсный излучатель, а на поплавке - акустический приемник, выполненный в виде гидрофона. Преобразующая и обрабатывающая аппаратура позволяет определить время появления гидроакустического импульса, а по нему - глубину погружения поплавка. Далее можно по полученной информации рассчитать амплитуду, скорость и частоту колебаний (внутренних волн).

Недостатком прототипа являются отсутствие оптического сигнала на выходе измерителя и влияние на его показания измерений скалярных величин морской среды (температуры, плотности, давления).

Техническим результатом, полученным от внедрения изобретения, является устранение данных недостатков, т.е. создание измерителя параметров внутренних волн в морской среде с оптическим выходным сигналом и устранение влияний измерений скалярных величин морской среды на показания измерителя.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном измерителе параметров внутренних волн в морской среде, содержащем кинематически связанный буй нейтральной плавучести и поплавок нейтральной плавучести, на которых напротив друг друга жестко закреплены излучатель и приемник акустических импульсов, расположенные в морской среде, а также последовательно соединенные с выходом приемника акустических импульсов преобразовательную и обрабатывающую аппаратуру, расположенную внутри буя нейтральной плавучести, приемник акустических импульсов выполнен в виде двух волоконных катушек, расположенных в морской среде на известном расстоянии друг от друга и оптически связанных в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек снабжена фазосдвигающим устройством, причем приемник акустических импульсов закреплен на буе нейтральной плавучести, а излучатель - на поплавке нейтральной плавучести с расположенным внутри него блоком питания.

Кроме того, синхронизирующий вход блока питания излучателя акустических импульсов электрически соединен с выходом преобразовательной и входом обрабатывающей аппаратуры.

Изобретение поясняется чертежом, на фиг.1 которого представлена конструктивная схема устройства; на фиг.2 - его оптическая схема с блоками электронной аппаратуры; на фиг.3, 4 - диаграммы для пояснения принципа работы устройства.

Измеритель параметров внутренних волн в морской среде содержит кинематически связанные между собой буй 1 нейтральной плавучести и поплавок 2 нейтральной плавучести, на которых напротив друг друга жестко закреплены излучатель 3 (фиг.1) и приемник акустических импульсов, выполненный в виде двух катушек 4, 5, оптически связанных в интерферометр (например, Маха-Цендера) с источником 6 когерентного света и фотоприемником 7 (фиг.2).

В одной из волоконных катушек (например, 4) установлено фазосдвигающее устройство 8.

Выход фотоприемника 7 подключен через усилитель 9 (преобразовательная аппаратура) к компьютеру 10 и регистратору 11 (обрабатывающая и регистрирующая аппаратура).

Электронные блоки 9, 10, 11 расположены в буе 1 нейтральной плавучести и обозначены на фиг.1 под позицией 12.

Выход усилителя 9 электрически связан с синхронизирующим входом блока питания излучателя 3 акустических импульсов, которые расположены на поплавке 2 нейтральной плавучести. (На фиг.1 блок питания обозначен под позицией 13).

Буй 1 и поплавок 2 нейтральной плавучести связаны между собой направляющими 14 (фиг.1) таким образом, что поплавок 2 с излучателем 3 и волоконные катушки 4, 5 интерферометра (приемник акустических импульсов) всегда установлены напротив друг друга. При этом поплавок 2 нейтральной плавучести выполнен с возможностью совершения свободных колебаний внутри направляющих 14 с амплитудой ΔL, периодически приближаясь и удаляясь от приемника акустических импульсов, выполненного в виде волоконных катушек 4, 5, прикрепленных к бую 1 с помощью державок 15.

На фиг.1 расстояние между волоконными катушками обозначено через X; расстояние между приемником и излучателем акустических импульсов - через L (масштаб между расстояниями Х и L не соблюден).

Морская поверхность обозначена на фиг.1 под позицией 15.

Измеритель параметров внутренних волн работает следующим образом.

Перед началом эксплуатации измерителя начальную разность фаз на преобразовательной кривой 17 (фиг.3) устанавливают с помощью фазосдвигающего устройства 8 (фиг.2) равной 90°. При этом рабочая точка А находится в зоне наибольшей кривизны и линейности кривой 17, являющейся синусоидальной.

От излучателя 3 в сторону волоконных катушек 4, 5 направляется акустический импульс 18 (фиг.1-3), распространяющейся в морской среде со скоростью звука С.

Через определенное время импульс 18 последовательно достигнет волоконных катушек 4, 5 и на выходе интерферометра появятся импульсы фототока 19. Первый импульс 19 появится в момент генерации акустического импульса 18 ввиду наличия электрической связи блоков 9-13 (фиг.1, 2). Второй импульс 19 появится на выходе интерферометра через время L/C, третий - через время X/L - после появления второго импульса.

По известным расстоянию L между излучателем и приемником акустических импульсов и величине дисперсии ΔL/C времени около среднего значения L/C (фиг.4) определяют амплитуду, колебательную скорость и величину колебательного ускорения поплавка 2 нейтральной плавучести, а значит, и кинематические параметры внутренней волны, вызывающей колебания поплавка 2.

При изменении скалярных параметров морской среды (температуры, гидростатического давления, солености, плотности) происходит изменение скорости акустического импульса в морской среде. Это приведет к появлению погрешностей в определении параметров внутренних волн.

Для исключения подобного рода погрешностей в измерителе происходит постоянное слежение за изменениями скорости звука в морской среде. Поскольку расстояние Х между волоконными катушками 4, 5 интерферометра неизменно, по измерению величины X/L и Х/ΔС определяют изменение ΔС скорости звука во времени, после чего вводят поправку в измерения амплитуды колебаний поплавка 2. При этом изменения скалярных величин морской среды на показаниях самого интерферометра не сказываются, поскольку одновременно воздействуют на оба плеча интерферометра (обе волоконные катушки 4, 5 одновременно).

После прихода на приемник первого импульса 18 происходит его обработка и регистрация выходного сигнала в компьютере 10 с регистратором 11 и повторный запуск излучателя 3 по цепи обратной связи между блоками 12, 13 (фиг.1). Это предотвращает наложение двух и более импульсов одновременно на обе катушки 4, 5 интерферометра и сбои в его работе.

Таким образом, данный измеритель параметров внутренних волн в морской среде при оптическом выходном сигнале позволяет учесть изменения скалярных величин морской среды, влияющих на скорость звука в воде и на показания измерителя. Тем самым достигается поставленный технический результат.

Источники информации

1. Патент №2069046 РФ, кл. G 01 P 5/00, G 05 P 5/10, 1996.

2. Авторское свидетельство №1280321 СССР, кл. G 01 C 13/00, 1986 - прототип.

Измеритель параметров внутренних волн в морской среде содержит буй нейтральной плавучести и поплавок нейтральной плавучести, на которых напротив друг друга жестко закреплены излучатель и приемник акустических импульсов с блоком питания, а также последовательно соединенные с выходом приемника акустических импульсов преобразовательную и обрабатывающую аппаратуру, расположенную внутри буя нейтральной плавучести. Приемник акустических импульсов выполнен в виде двух волоконных катушек, расположенных в морской среде на известном расстоянии друг друга и оптически связанных в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником. Одна из волоконных катушек снабжена фазосдвигающим устройством, причем приемник акустических импульсов закреплен на буе нейтральной плавучести, а излучатель - на поплавке нейтральной плавучести с расположенным внутринего блоком питания. Технический результат - устранение влияний измерений скалярных величин морской среды на показания измерителя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Измеритель параметров внутренних волн в морской среде, содержащий кинематически связанные буй нейтральной плавучести и поплавок нейтральной плавучести, на которых напротив друг друга жестко закреплены излучатель и приемник акустических импульсов с блоком питания, а также последовательно соединенные с выходом приемника акустических импульсов преобразовательную и обрабатывающую аппаратуру, расположенную внутри буя нейтральной плавучести, отличающийся тем, что приемник акустических импульсов выполнен в виде двух волоконных катушек, расположенных в морской среде на известном расстоянии друг друга и оптически связанных в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек снабжена фазосдвигающим устройством, причем приемник акустических импульсов закреплен на буе нейтральной плавучести, а излучатель - на поплавке нейтральной плавучести, с расположенным внутри его блоком питания излучателя.2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что синхронизирующий вход блока питания излучателя акустических импульсов электрически соединен с выходом преобразовательной и входом обрабатывающей аппаратуры.