ПРОЗРАЧНОМЕР МОРСКОЙ ВОДЫ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/59 

Предлагаемое изобретение относится к области исследования оптических свойств жидких сред, к исследованиям свойств океанской воды в натурных условиях.

Известен фотометр, содержащий модулятор светового потока и устройство сравнения двух оптических каналов [1]. Известен способ измерения показателей поглощения текучих сред, позволяющий определить оптическую плотность воды [2].

Однако устройства, описанные в упомянутых источниках, не позволяют измерять оптический коэффициент ослабления морской воды в самом океане, в точке исследования.

Прототипом данного предложения, по совокупности существенных признаков, выбран спектрофотометр, описанный в [3]. Он содержит контейнер с иллюминатором и расположенной напротив отражающей призмой, излучатель, фотоприемник, коллиматор, светоделительное устройство, объектив, модулятор пучков, систему синхронизации, опорный и измерительный тракт.

Сущность изобретения.

Предлагаемый прозрачномер решает задачу определения коэффициента оптического ослабления воды непосредственно в месте исследовательских работ, в том числе в придонном слое на дне океана. При этом прозрачномер имеет конструктивные отличия, которые заключаются в следующем:

1. Опорный канал находится внутри прибора, что позволяет существенно уменьшить габариты без заметной потери точности измерений. Оптическая ось измерительного канала проходит через полупрозрачное зеркало, коллиматор, иллюминатор и отражающую призму. Оптическая ось опорного канала и приемника излучения расположены перпендикулярно оптической оси измерительного канала и проходит через полупрозрачное зеркало и центр сферического зеркала, разделенных цилиндрической поверхностью модулятора, ось которого соединена с двигателем, снабженным энкодером.

2. Прозрачномер может работать в автономном режиме, в котором информация записывается на внутреннюю память прибора. Он содержит датчики температуры, вакуума и внешнего давления, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к фотоприемнику, а выход - к контроллеру, соединенному с блоком памяти, интерфейсом внешней связи и блоком управления модулятором, соединенным с энкодером и излучателем.

Возможность реализации изобретения.

На фиг.1 показана конструкция прозрачномера, он содержит: излучатель - 1, фотоприемник - 2, сферическое зеркало - 3, модулятор - 4, двигатель - 5, объектив - 6, иллюминатор - 7, триппель-призму - 8, корпус - 9, полупрозрачное зеркало - 10.

На фиг.2 показана схема электронных элементов прозрачномера, она содержит (дополнительно к фиг.1): блок управления модулятором - 13, интерфейс внешней связи - 14, персональный компьютер - 15, буферный усилитель - 16, источник питания - 17, устройство внешнего включения - 18, датчик температуры - 19, датчик вакуума - 20, аналого-цифровой преобразователь - 21, датчик давления - 22, микроконтроллер - 23, энергетически независимую память - 24.

Прозрачномер работает следующим образом.

Излучатель - 1, в качестве которого используется мощный светодиод, через полупрозрачное зеркало - 10, объектив - 6 и иллюминатор - 7 посылает луч света в исследуемую среду (морскую воду). Отраженный триппель-призмой - 8 луч через иллюминатор - 7 опять поступает внутрь прибора и далее, через объектив - 6 и, отразившись от полупрозрачного зеркала - 10, поступает на фотоприемник - 2. Перед фотоприемником стоит интерференционный фильтр, пропускающий излучение с длиной волны 532 нм и полушириной 20 нм.

На фотоприемник поступают попеременно два луча - измерительный - 11, дважды прошедший через слой морской воды, и опорный - 12, отраженный от сферического зеркала - 3. Попеременность обеспечивает модулятор - 4, насаженный на ось электродвигателя - 5, снабженного энкодером, который вырабатывает 360 импульсов при одном обороте модулятора, т.е. 1 имп/на градус. Импульсы необходимы для синхронизации работы всего устройства. Модулятор представляет собой чашевидный диск с прорезями для последовательного перекрытия оптических пучков. Таким образом, на выходе фотоприемника образуется последовательность электрических импульсов, пропорциональных световым потокам в опорном и измерительном каналах. Основным преимуществом двухканальной оптической схемы является то, что при нормировке уровня измерительного сигнала на опорный, при расчете показателя ослабления, исключается аппаратурная нестабильность источника света и фотоприемника. Основными факторами нестабильности работы прибора остаются влияние температурного дрейфа темнового тока фотоприемника и влияние внешней засветки, вызванной попаданием рассеянного водой света в измерительный канал. Для их учета и последующего исключения влияния на точность и долговременную температурную и временную стабильность, кроме двух основных оптических каналов - измерительного и опорного, регистрируются также темновой и канал внешней засветки.

Электронная схема прозрачномера (фиг.2) работает следующим образом.

Устройство внешнего включения - 18 представляет собой магнит, расположенный снаружи корпуса прозрачномера, на внутренней стороне которого установлен геркон, включающий источник питания - 17. Как уже отмечалось, энкодер жестко связан с валом двигателя и вырабатывает 360 импульсов за один оборот, которые поступают на блок управления модулятором - 13 (БУМ). БУМ предназначен для стабилизации оборотов электромотора и формирования синхросигналов. БУМ является функционально законченным узлом. На его выходе формируется напряжение управления электродвигателем в виде последовательности ШИМ импульсов. Пять синхросигналов управляют работой источника света и используются в АЦП для выделения из импульсного сигнала фотоприемника напряжений четырех сигналов, которые при последующей обработке используются для точного расчета прозрачности морской воды. Кроме напряжений двух основных оптических каналов - измерительного и опорного, выделяются и регистрируются также напряжения: темновое - когда модулятор перекрывает световые потоки на входе фотоприемника; и внешней засветки - когда по сигналу БУМ отключается источник света, и на вход фотоприемника через измерительный канал поступает световой поток, сформированный рассеянным морской водой солнечным светом. Темновое напряжение используется для компенсации температурного дрейфа опорного и измерительного каналов. Напряжение внешней засветки - для уменьшения погрешности при расчете прозрачности в приповерхностном слое морской воды. Положения и длительности синхросигналов во времени заносятся в память БУМ с персонального компьютера - 15 через интерфейс внешней связи - 14, и в процессе эксплуатации прибора не меняются. Сигнал с фотоприемника поступает на буферный усилитель - 16 и далее на АЦП-21. Энергонезависимая память (флэш-память) - 24 позволяет осуществлять непрерывную запись информации, в зависимости от режима работы, в течение 3...40 часов. Микроконтроллер - 23 управляет работой всей цифровой электроники. Через интерфейс внешней связи - 14 с помощью персонального компьютера можно скачать информацию с энергонезависимой памяти - 24, заложить алгоритм работы, частоту опроса каналов и т.д. Динамические диапазоны выходных напряжений аналоговых датчиков (вакуума - 20, температуры - 19, давления - 22 и питания) совместимы с входным диапазоном АЦП: 0...+5 вольт.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №712687.

2. Авторское свидетельство №1099258.

3. Авторское свидетельство №1055973.

Изобретение относится к области исследования свойств океанской воды в натурных условиях. Прозрачномер содержит контейнер с иллюминатором и расположенной напротив отражающей призмой, излучатель, фотоприемник, коллиматор, светоделительное устройство, объектив, модулятор пучков, систему синхронизации, опорный и измерительный тракты. Опорный канал находится внутри прибора, при этом оптическая ось измерительного канала проходит через полупрозрачное зеркало, коллиматор, иллюминатор и отражающую призму, а оптическая ось опорного канала расположена перпендикулярно оптической оси излучателя и проходит через полупрозрачное зеркало и центр сферического зеркала, разделенных цилиндрической поверхностью модулятора, ось которого соединена с двигателем, снабженным энкодером, что позволяет использовать прозрачномер непосредственно в месте исследовательских работ. Кроме того, он содержит датчики температуры, вакуума и внешнего давления, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к фотоприемнику, а выход - к контроллеру, соединенному с блоком памяти, интерфейсом внешней связи и блоком управления модулятором, соединенным с энкодером и излучателем. 2 ил.

Прозрачномер морской воды, содержащий контейнер с иллюминатором и расположенную напротив отражающую призму, а также излучатель, фотоприемник, светоделительное устройство, объектив и модулятор пучков, ось которого соединена с двигателем, формирующий измерительный и опорный каналы, при этом оптическая ось измерительного канала проходит через светоделительное устройство, объектив, иллюминатор и отражающую призму, а оптическая ось опорного канала и фотоприемника расположена перпендикулярно оптической оси излучателя и проходит через светоделительное устройство, отличающийся тем, что в опорный канал введено сферическое зеркало, через центр которого проходит ось опорного канала и которое разделено со светоделительным устройством чашевидным диском с прорезями модулятора, двигатель которого снабжен энкодером, а электронная схема содержит датчики температуры, вакуума и внешнего давления, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к фотоприемнику, а выход - к контроллеру, соединенному с блоком памяти, интерфейсом внешней связи и блоком управления модулятором, соединенным с энкодером и излучателем.