УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНЯТИЯ ВЕРТИКАЛЬНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРЕЗА В ВОДНОЙ СРЕДЕ Российский патент 2024 года по МПК G01K11/3206 B63B22/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Получение информации о температуре протяженного физического объекта во многих его точках является актуальной научно-технической задачей. Подобные задачи часто приходится решать в различных отраслях научной и промышленной деятельности - в системах добычи природных ресурсов (в частности, нефти), в устройствах пожарной и охранной сигнализации, в системах дистанционного контроля производственных процессов, при проведении экологического мониторинга водоемов, в строительстве, на железнодорожном транспорте и в других областях. Одним из эффективных средств получения такой информации является использование оптоволоконных квазираспределенных температурных датчиков. Подобный датчик представляет собой оптоволокно с внедренными в его структуру микроскопическими участками, обладающими измененной физико-химической структурой (так называемыми, волоконными брэгговскими решетками - ВБР). Импульс света, проходя по оптоволокну, претерпевает искажение и частичное обратное рассеивание на ВБР, причем характер и степень искажения спектра зависит от внешних условий, в частности, от температуры окружающей среды. Прием и обработка отраженного светового сигнала позволяет измерять температуру во всех точках, где размещены ВБР.

Описанный способ измерения температуры обладает рядом существенных достоинств по сравнению с использованием традиционных температурных датчиков. Квазираспределенный термодатчик имеет малый вес, не требует подведения электропитания в точку измерения температуры, он химически инертен, что дает возможность применять его в агрессивной среде (например, в морской воде) длительное время без потери измерительных характеристик и т.д. Эти обстоятельства обуславливают широкое применение оптоволоконных квазираспределенных датчиков для различного назначения, в том числе для измерения температуры водной среды при проведении гидрофизических исследований.

Предлагаемое техническое решение, основанное на применении квазираспределенного термодатчика, предназначено для снятия вертикального температурного разреза в морской или пресноводной среде при работе в автономном режиме.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройствам для измерения профиля температуры в водной среде и может быть использовано для долговременного измерения вертикального профиля температуры воды.

Распределение температуры по глубине (вертикальный профиль) является характеристикой водной среды, имеющей важное прикладное значение, и предметом наблюдения в различных океанологических исследованиях. Для многих акваторий Мирового океана, таких как морской шельф, характерна высокая динамика температуры, что обусловлено активными процессами энергообмена в приповерхностном слое, перемещениями масс воды, обтеканием неровностей донного рельефа, процессами образования и таяния льда и т.п. Поэтому в шельфовой зоне чаще всего возникает задача снятия вертикального температурного разреза.

Вертикальное профилирование часто выполняется с использованием погружных температурных датчиков. Но этот способ требует интенсивного использования плавсредств, причем проведение измерений может оказаться невозможным по метеоусловиям и иным причинам. Эффективным способом снятия вертикального температурного разреза является применение автономных буйковых устройств, устанавливаемых в ключевых точках акватории и оснащенных термолиниями (термокосами, термогирляндами) с точечными датчиками. Такие устройства позволяют в течение длительного времени получать информацию о динамике температуры, в том числе в сложных метеоусловиях. Однако им также присущи определенные недостатки, в частности, необходимость подведения электропитания к каждому из датчиков термолинии на каждом горизонте измерения, что повышает массгабариты устройства, снижает его надежность и увеличивает энергопотребление.

Известно устройство для измерения вертикального профиля температуры среды (патент на изобретение RU №2658552), содержащее зонд в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод, через который выходит кабель, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером для считывания информации. Устройство позволяет значительно уменьшить искажение температурного распределения тепловыми потоками через кабель. Однако данное устройство не может применяться для снятия температурного разреза водной среды, поскольку конструктивно оно предназначено для установки в почвенной скважине (начальная часть кабеля должна укладываться горизонтально в закрытой траншее).

Известна конструкция распределенного температурного датчика, предназнаенного для проведения океанографических исследований, описанная в статье: Distributed Temperature Sensing for Oceanographic Applications, G. Sinnet, K.A. Davis and over / Jornal of Atmospheric and Oceanic Technology, Nov. 2020, vol. 37, p. 1987-1997. Данное устройство имеет в своем составе протяженную оптоволоконную линию диаметром 6 мм и длиной до 6 км, а также оптоэлектронное устройство, обеспечивающее посылку световых импульсов с частотой 1 Гц, прием и обработку рассеянного сигнала. Устройство реализуется в двух вариантах - с семью или десятью точками измерения температуры в зависимости от типа используемого волоконно-оптического кабеля. В рабочем состоянии оптоволоконная линия укладывается на морское дно. Каких-либо приспособлений для варьирования глубины размещения датчиков не предусмотрено.

Недостатком описанного устройства является невозможность снятия вертикального температурного разреза в определенной точке акватории, а также невозможность автономной работы на значительном удалении от берегового поста, где установлено оптоэлектронное устройство.

Известно устройство для измерения профиля температуры (патент на полезную модель RU №139660) в различных средах - воздухе, воде, грунте, сыпучих материалах и пр. Устройство включает термогирлянду, выполненную на базе цифровых термодатчиков интегрального исполнения (например, типа Dallas Semiconductor DS18B20), соединенную с герметичным контейнером, содержащим блок регистрации. Датчики расположены на кратном интервале по длине грузонесущего кабеля. Защитная оболочка кабеля и герметизация термодатчиков выполнены из однородных по физическим свойствам материалов, сохраняющим гибкость в широком диапазоне температур. Блок регистрации содержит микроконтроллер, энергонезависимую память для хранения данных, устройство синхронизации, драйвер цифровой линии и радиомодуль. Устройство позволяет наращивать длину термогирлянды и, помимо основных температурных датчиков, подключать к термогирлянде вспомогательные, обеспечивающие, например, измерение давления, солености, мутности и т.п. Устройство работает не только в режиме записи-хранения данных в блоке регистрации, но и в режиме передачи данных по кабелю и/или радиоканалу.

Недостатком описанного устройства является использование в составе термокосы цифровых температурных датчиков, требующих подведения линии электропитания и использования сигнального кабеля для передачи информации от датчиков к блоку обработки и регистрации. Это ведет к увеличению массы и диаметра термогирлянды и накладывает дополнительные требования к блоку питания по мощности и стабилизации напряжения. В качестве термодатчиков используются цифровые интегральные элементы - достаточно сложные электронные модули, требующие наличия в своем составе средств информационного обмена с блоком регистрации, что в конечном итоге ведет к снижению надежности всего устройства. В случае нарушения герметичности оболочки термолинии и затекания одного из датчиков есть риск выхода из строя всей измерительной системы, поскольку цепи питания датчиков включены по параллельной схеме и затекший элемент будет шунтировать остальные датчики гирлянды.

Известно техническое решение, описанное в патенте US 20060245469 А1 (02.11.2006). Устройство, помимо решения прочих задач, осуществляет снятие вертикального температурного разреза водной среды при помощи волоконно-оптической линии, размещенной на технологической колонне, соединяющей морскую нефтегазодобывающую платформу с донным оборудованием. В аспекте предлагаемого технического решения данное изобретение рассматривается как прототип. Недостатком указанного изобретения является жесткая привязка измерительной системы устройства к одной точке акватории. Такое решение не позволяет снимать вертикальные температурные разрезы в других точках исследуемого района. Кроме того, использование подобного устройства затруднено или вообще невозможно в местах с большими глубинами или сильно изрезанным рельефом дна.

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

Задачи, решаемые при реализации предлагаемого технического решения, заключаются в расширении функциональных возможностей устройства при использовании его на акваториях с большими глубинами или сложным донным рельефом.

Решение указанной задачи достигается за счет применения дрейфующего варианта устройства с измерительной термолинией квазираспределенного оптоволоконного датчика с волоконными брэгговскими решетками (ВБР).

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемом техническом решении сформулированы основные отличительные признаки устройства.

Устройство для снятия вертикального температурного разреза в водной среде включает в себя поверхностный буй с каналами внешней связи и источником питания; подповерхностный буй, содержащий блок регистрации, блок хранения и обработки информации и датчик давления; оптоволоконную линию с внедренными в ее структуру ВБР, выполняющими функции датчиков температуры; свободновисящий груз, обеспечивающий вертикальное положение оптоволоконной линии.

В качестве блока регистрации используется интеррогатор - прибор, объединяющий в своем составе лазер, соединенный со входом оптоволоконной линии, модуль управления работой лазера, фотоприемный модуль с аналого-цифровым преобразователем и спектроанализатор. Интеррогатор - известное, промышленно выпускаемое техническое устройство, описанное, например в https://habr.com/ru/companies/spbifmo/articles/696450/.

ВБР представляют собой микроскопические участки оптоволокна с измененной физико-химической структурой (например, за счет внедрения в оптоволокно инородных атомов). Поэтому количество ВБР в составе квазираспределенного термодатчика может быть очень велико и ограничивается только рабочим диапазоном длин волн интеррогатора. На практике это количество обычно исчисляется десятками-сотнями в зависимости от требуемого числа горизонтов измерения температуры. Увеличение данного параметра никак не сказывается на массогабаритах измерительной линии. Это обстоятельство позволяет обеспечить снятие вертикального температурного разреза с высокой дискретностью без увеличения массы устройства.

Позиционирование температурных датчиков (ВБР) по глубине обеспечивается натяжением оптоволоконной линии между свободновисящим грузом и подповерхностным буем. Контроль глубины установки подповерхностного буя осуществляется при помощи датчика давления, находящегося в его составе. Точное определение глубин (измерительных горизонтов) датчиков температуры происходит путем пересчета их положения в термолинии относительно глубины подповерхностного буя. Требуемое заглубление подповерхностного буя и, соответственно, положение измерительных горизонтов, определяется длиной штанги, соединяющей поверхностный и подповерхностный буи. При этом все элементы устройства, кроме поверхностного буя, имеют отрицательную плавучесть, а поверхностный буй - положительную плавучесть, достаточную для удержания его на поверхности. Таким образом, оба буя, термолиния и свободновисящий груз образуют единую вертикальную связку, обеспечивающую нахождение каждого из элементов на определенной глубине.

Поверхностный буй, содержащий в своем составе каналы беспроводной связи, осуществляет передачу полученных данных потребителю в береговой или корабельный пункт контроля. Помимо этого, поверхностный буй оснащен сменным источником автономного питания (батарейным блоком), обеспечивающим энергией электронную аппаратуру, размещенную в обоих буях. Нахождение источника питания в поверхностном буе дает возможность его замены без необходимости выборки всего устройства на поверхность.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет получить заявленный технический эффект - расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности его применения в районах с большими глубинами и сложным рельефом морского дна.

Описанные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных решениях, и не являются суммой этих свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение иллюстрируется чертежами:

Фиг. 1 - общая схема устройства;

Фиг. 2 - блок-схема функциональных элементов в составе поверхностного и подповерхностного буев.

На чертежах использованы следующие обозначения:

1. Поверхностный буй;

2. Подповерхностный буй;

3. Термолиния;

4. ВБР - датчики температуры;

5. Груз;

6. Приемник глобальной навигационной спутниковой системы;

7. Канал спутниковой связи;

8. Канал радиосвязи;

9. Коммуникационный и навигационный интерфейс;

10. Источник питания (батарейный блок);

11. Блок хранения и обработки информации;

12. Блок регистрации (интеррогатор);

13. Датчик давления;

14. Жесткая штанга.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство работает следующим образом.

Интеррогатор 12 в заданные моменты времени генерирует короткие световые импульсы, поступающие на вход оптоволоконной термольнии 3 (по рисунку на Фиг. 1 это верхний конец линии). Распространяясь по всей длине оптоволокна, световой импульс претерпевает частичное обратное рассеивание в тех точках, где находятся ВБР. При этом спектр отраженного света меняется. В нем появляются новые линии, причем интенсивность этих линий зависит от температуры оптоволокна и, следовательно, от температуры окружающей воды. Фотоприемник, размещенный на входе в интеррогатор, принимает серию отраженных световых импульсов (эхо-сигналов), последовательно поступающих по оптоволоконной линии. Идентификация каждого температурного датчика 4 и, соответственно, горизонта измерения определяется его рабочей длиной волны. Таким образом, интеррогатор 12, посылая на вход линии один световой импульс, получает в ответ последовательную серию из нескольких десятков или сотен рассеянных эхо-сигналов, спектр каждого из которых зависит от температуры на соответствующих горизонтах. Аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав интеррогатора 12, преобразует энергию отраженного света в цифровой код. Спектроанализатор по характеристикам принятых спектров определяет температуру на каждом из горизонтов измерения. В результате формируется массив данных, содержащий информацию о времени зондирования, глубине и значении температуры на каждом из горизонтов. Полученные данные записываются в энергонезависимую память блока хранения и обработки информации 11. Далее они могут по запросу передаваться посредством дифференцированного протокола передачи цифровых данных (например, RS-422, RS-485, Fast Ethernet) через коммуникационный интерфейс 9 в один из каналов внешней связи 7, 8, размещенных в поверхностном буе 1, и отправляться потребителю. Контроль местоположения устройства обеспечивается с помощью приемника глобальной навигационной спутниковой системы 6, а глубина установки подповерхностного буя 2 и, следовательно, каждого из температурных датчиков 4, отслеживается при помощи датчика давления 13. Источник питания 10 (батарейный блок) обеспечивает энергией все электронные модули и блоки, размещенные в обоих буях устройства.

Подповерхностный буй 2 имеет отрицательную плавучесть, причем оба буя (поверхностный 1 и подповерхностный 2) соединены между собой жесткой штангой 14. Для обеспечения отвесного положения термолинии устройство снабжено свободновисящим грузом 5, закрепленным на нижнем конце термолинии. Положительная плавучесть поверхностного буя 1 превышает суммарную отрицательную плавучесть остальных элементов системы. Описанная схема позволяет обеспечить притопленное положение подповерхностного буя 2 на требуемую глубину, определяемую длиной штанги 14 и, соответственно, установить заданный горизонт измерения для каждого из температурных датчиков 4.

Предложенное техническое решение позволяет расширить функциональные возможности устройства снятия вертикального температурного разреза водной среды за счет обеспечения его применения в районах Мирового океана с большими глубинами и сложным рельефом дна. Поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна", т.к. имеет отличительные признаки от прототипа, новое конструктивное выполнение элементов и новые связи между элементами. Приведенные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных решениях, и не являются суммой их свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

Изобретение относится к устройствам для измерения профиля температуры в водной среде и может быть использовано для долговременного измерения вертикального профиля температуры воды. Устройство включает в себя поверхностный буй с каналами внешней связи и источником питания; подповерхностный буй, содержащий блок регистрации, блок хранения и обработки информации и датчик давления; оптоволоконную линию с внедренными в ее структуру волоконными брэгговскими решетками (ВБР), выполняющими функции датчиков температуры; свободновисящий груз, обеспечивающий вертикальное положение всех элементов устройства. В качестве блока регистрации используется интеррогатор - прибор, объединяющий в своем составе лазер, соединенный со входом оптоволоконной линии, модуль управления работой лазера, фотоприемный модуль с аналого-цифровым преобразователем и спектроанализатор. Поверхностный буй, содержащий в своем составе каналы беспроводной связи, осуществляет передачу полученных данных потребителю в береговой или корабельный пункт контроля. Помимо этого поверхностный буй оснащен сменным источником автономного питания (батарейным блоком), обеспечивающим энергией электронную аппаратуру, размещенную в обоих буях. Нахождение источника питания в поверхностном буе дает возможность его замены без необходимости выборки всего устройства на поверхность. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства при его эксплуатации на акваториях с большими глубинами и сложным рельефом дна. 1 ил.

Устройство для измерения вертикального температурного разреза в водной среде, содержащее поверхностный буй с каналами внешней связи и автономным источником питания; подповерхностный буй с блоком регистрации, блоком хранения и обработки информации и датчиком давления; датчик температуры, в качестве которого использована термолиния на основе распределенного оптоволоконного температурного датчика с волоконными брэгговскими решетками (ВБР), причем блок регистрации представляет собой интеррогатор, соединенный с оптоволоконной линией, отличающееся тем, что подповерхностный буй имеет отрицательную плавучесть и соединен с поверхностным буем жесткой штангой, а на нижнем конце термолинии закреплен свободновисящий груз, причем положительная плавучесть поверхностного буя превосходит суммарную отрицательную плавучесть остальных элементов устройства.