Способ определения солености морской воды Советский патент 1987 года по МПК G01N21/41 

fO

1-1303909

Изобретение отнс сится к океанологическим исследованиям и может быть использовано при построении ав- тономных устройств, предназначенных для измерения пространственно-временной изменчивости поля солености в целях изучения характера, происхождения и изменчивости океанических термохалинных микроструктур и процессов массообмена в океане.

Целью изобретения является упро- щение способа при повышении точности измерений.

На чертеже представлена хема устройства, реализующего способ.

Схема включает осветитель 1 с конденсатором, рефрактометрический чувствительный элемент 2, выполнен- . ный в виде изогнутого цилиндрического стержня, светоделительную пластину 3, оптические фильтры 4 и 5, фотоприемники 6, 7 и вычислитель 8,

д

&п

ftn

гд

15

20

Таким образом, формируются два канала для измерения значений пока- зателя преломления для двух длин вол оптического и:злучения. Оптическое из лучение от источника света 1 направляется на входной торец чувствительного элемента и, проходя через чув- ствительный элемент устройства, взаимодействует со средой. Принцип действия данного измерительного элемента основан на методе нарушенного полного внутреннего отражения, обес- печивающего достаточно высокую точность измерений. Изменения интенсивности потока излучения на выходном торце элемента пропорционально изменениям показателя преломления ис- следуемой среды, С выходного торца измерительного элемента поток излучения поступает на светоделительную пластину 3, после чего часть излучения проходит через фильтр 4 на фото- приемное устройство 6, а часть излучения, отразившись от пластины 3, поступает через фильтр 5 на фотоприемное устройство 7. Фильтры 4 и 5 выделяют различные спектральные сое- тавляющие излучения. Сигналы с выходов фотоприемных устройств поступают на вычислительное устройство 8 (в данном случае выполненного да базе ЦВМ Электроника 81Б), в котором осуществляется определение значений солености по аппроксимирующим полиномам, реализующим известные табличные данные или экспериментальные

данные калибровки устройства дующим формулам

tn m , .

S IILIoiij&n4n ,

i 0 j;0

&п,,-п, (T , SJ,

ftn 10 n -n -(T , S ),

(1)

O

где a.

ij

15

20

25 30 j 40- 5 50 55

m п,),

п CT. S,)

постоянные коэффициенты,. определяемые по известным данным или в результате калибровки; порядок учета нелинейных связей в апроксими- рующих полиномах; измерение величины показателя преломления исследуемого образца морской воды для длин волн Л и Д. j излучения, соответственно;

то же для эталонного образца морской водь с температурой Т и соленостью S , отличными от исследуемого образца морской воды,

Аналогичшлм образом может.быть определена пульсирующая составляющая солености.

Выражения (1) представляют собой математические модели описания солености через рефрактометрические характеристики среды, причем сложность моделей определяется необходимой точностью вычисления искомого параметра. Значения коэффициентов а полиномов вычисляются методом наименьших квадратов по известным табличным данным или определяются по результатам предварительной калибровки измерителя солености в лабораторных условиях и заранее вводятся в долговременную память вычислителя солености,

Известна трехпараметрическая модель изменчивости показателя преломления п в зависимости от значений температуры Т, солености S и длины волны светового излуче |мя Я в виде усеченного полинома 3-ей степени;

n(T,S,X) l,447827 + 3,011.10 S ,5

- l,8029-Wl - 1,6916 + 7,28364 Ю

- 4,8904

,83745

- 7,9362-10 TS + 8,0597 IO T S - 4,249 lO S Д+ 5,847 lO SA - - 2,812-10- 5Д (2).

Измеряя разность показателей преломления Sh для двух известных длин волн Я К t из уравнения (2) после некоторых преобразований получают ли-

Q А§20 1101 1 7 28364 ;Ю Чд,+ Я + 3 83745 Ю ; Я +.

О

-4,249-10- + 5,847-10 ( Д,+Д5) - 2,812 - .)

1

Q

-4,249 Ю Ч Я,) + 5,(я;-Д) - 2,812 , -ЯЪ

Практически, при работе с немонохроматическими источниками света пользоваться приведенными формулами jn (3-5) можно только с ограничениями по точности, поэтому.целесообразно проводить экспериментальную калибровку измерителя солености с.дальнейшим определением коэффициентов в нелиней-25 ной формуле связи вида

S 11

1--0

-.

(6)

Но поскольку достаточно точные данные об изменчивости показателя пре- -30 ломления с изменением длины волны светового излучения в настоящее время отсутствуют, то вместо формулы (6) целесообразно использовать двумерную нелинейную формулу связи35

дп

8 Е1Ц:а,.. п; , n| li;ila.; д nj , аи

1:0,-0

которую следует рассматривать в ка- честве высокоточной модели для практического определения солености, В частном случае при и а а формула (7) переходит в формулу (3)

Использование в формуле (7) выражений для &п позволяет исключить из рассмотрения нерабочую часть измерк- тельного диапазона и повысить практи ческую точность регистрации значений показателя преломления.

Аналогично изложенному определяетс вид математической модели дпя расчета пульсационной составляющей солености в виде взвешенной суммь1 пульсаций изме- ряемых величин с весами, которые являются известными функциями осред- ненных измеряемых величин ,,

нейное регрессионное уравнение для непосредственного определения солености

-

а, S

а т а, о ,

9 h

(3)

С

с.

(4) (5)

jn 25

-3035

;

45

50

55

В разработанной конструкции в качестве источника излучения используется оптическая лампа накаливания ОПЗ-0,25, а для фильтров используют- ся специально изготовленные оптические фильтры для длины волн 500- 550 нм и 700-750 нм. Фотоприемные устройства выполнены на фотодиодах ФД-141 (имеющих 4 чувствительных . площадки) и операционных усилителя типа 140УД14,

Формула изобретения

Способ определения солености морской воды путем рефрактометрического измерения показателя преломления п исследуемого образца морской воды на длине волны излучения Я и последующего определения значения солености, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа при повышении точности измерений, дополнительно измеряют значение показателя преломления п на длине волны излучения 2 причем перед измерениями показателей преломления п и п предварительно рефрактометрически измеряют показатели преломления п(, 5д ) и п ,.,(Тд , S ) для длин волн Д. . и д соответственно другого образца морской воды с температурой Т и со- лешэстью S , отличными от соответствующих параметров и следующего образца морской воды, а соленость S исследуемого образца морской воды определяют по формуле

m m

11IZ

t-O

чЗ

i.J

& n,

ni.

,10 tnin,(T ,S ), ьп 10 , - - )1

где а,. - постоянные коэффициенты, определяемые в результате калибровки;

m - порядок учета нелинейных связей в апроксимирующих полиномах.

Изобретение относится к области океанологических исследований и может использоваться при создании автономных устройств, предназначенных для исследования гидрофизических полей солености в условиях океана. Цель изобретения состоит в повьпиении пространственно-временного разрешения и точности определения солености морской воды за счет измерения текущих значений показателя преломления- морской воды для двух длин волн светового излучения. Затем определяются средняя S и пульсационная S составляющие солености по формулам fr гг) S i:n а., S 1 0 j Q m-1 i-ri-1 r-n-j tn-f (ПИ с .n; лп1)п,, j O где ДП, , (Т„, S)I - 10 y.e. ; .-. - /m .n -r i ДП , SJl-10- y.e. - измеряемые .текущие значения средних составляющих показателя преломпения относительно выбранного уровня по Т, S - характеристикам для двух длин волн светового излучения / и Д соответственно; п и п - измеряемые текущие значения пульсационных составляющих показателя преломления для двух, длин волн светового излуч ния Я и /,j соответственно; m - порядок учета нелинейных связей в аппроксимирующих полиномах; , Ь,-j , c,-j - заранее определяемые по известньш данным или в результате калибровки постоянные коэффициенты. 1 ил. i СЛ оо о со со о со

X.

ч

р

N:z3

Г

и

7

Составитель С, Голубев Редактор А, Долинич Техред М.Ходанич Корректор Л. Пилипенко

Заказ 1300/43 Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного ко№-1тета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, , Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4