Устройсгво относигся к техника измерения профилей физических параметров сред с помощью электрических датчиков и может быть использовано при научных: экспериментах, в особенности океанологических исследованиях для измерения пространственных распределений, например температуры или электропроводности морской воды по глубине. Известны устройства, предназначенные дпя измерения пространственного распределения (профиля) параметров водной ере ды, в которых в качестве датчика используются сосредоточенные элементы, например платиновые проволочные термометгры, кондуктометрические индуктивные ачейки, 1 ьезокерамическне 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 водной среды применяется либо совокупность большого числа проафанствеано резнесенных одио йпных датчиков, обьединенных в изм йтельвую сеть, либо отделы ный датчик, механически церемещаемьй в среде вдоль лш1Ий Hcq isnyeMcro прйфнлв (зондирование) i), Спсжносгь, высйх я 1гсдамость н недостаточное пространсгввнное разрешение, свойственные измерительисй сети сосредоточенных датчике с одаой стороны, и ограниченная скорость и трудоемкость операции механического зондирования с .другой, являются недосгагками Известных методов имерения. Цель изо6ретш1ия - упрощение коцстJjyiOIHH., Цель достигается применением известной электромагнитной линии передачи в качестве датчика гфосгранственного расгфеделения параметров вопной средьи На фиг. 1 изображена эквивалентная электрическая етема электромагнитной иния передачи; на фнг. 2 - схемы электромагнитной линии с неошюродностями в
виде параллельного (а) и последовательного {cf) включения активного сопротивления и соответствующие Осциллох Ьммы выходного сигнала (5) получаемые на экране .имаульсного рефлектометра; на фиг. 3 - предлагаемое устройство для измерения пространственного расгфеДеления параметров водной среды.
Электромагнитные линии передачи (ЭЛП), или линии с распределенными параметрами, представлдаот направляющую структуру (устройство) для распространения 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 без нарушения общности, достаточно рассмотреть ОДИН из типов, например коаксиальный кабель. Электрические свойства коаксиального кабедя полностью определяются его первичными и вторичными параметрамла отаесенными к единвде длины.
Первичными параметрами являются; R - активное сопротивление, Ь - индуктвность, G - проводимость, С - емкость.
Из вторичных- параметров отметим, прежде всего волновое сопротивление W и коэффициент распространения У.
}WL}/(Q, + }Vvc)i
() Т К R Ь j W L M.G -h j we 3
(г)
По критерию; сохранения постоянства значений параметров ЭЛП, по ее длине принято разделять линии на два класса: однсродные.и неоднфодные. -По однородной линий передачи электромагнитные ко-лебания распросграняются от-генератфа к нагрузке не претерпевая отражений. При налнчии отклонения от однорсяшости в местекаждой-локальной йеоднородяости возникает отражение энергии, пр.ичем .параме- ры отраженного сигнала определяются природой.(емкостной, индуктивной, резистйвной и пр.) и величиной, вызьшаадщей еГо неоднородности. Это свойство используется в методах выявления и йонтропя неоднфодностей линии передачи.
Возможность использования ЭЛП в качестве датчика распределений параметров внешней средьт основана не подверженности параметров ЭЛП влиянию того иии иного физического поля внешней средьг. Такая чувствительность в обьриызс применениях ЭЛП является нежелательной, но
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 зависимостью электрических свойств от ве личины интересующего параметра внещней среды (температурь, давления, освещенности, напряженности магнитного поля и пр.). В экран 1рованных, например, коаксиальных ЭЛП со стабильными характеристиками материалов преобразование распределения электрических параметQ ров внешней среды осуществляют ш§Ь с помощью дис1фетно распределенных в кабеле апертур:, либо непрерывно за счет неплотной укладки наружной оплетки кабеля...
Результатом перечисленных мер является .преобразювание но всей длине ЭЛП значений вь1бранного параметра внешней Среды (электропроводности или температуры. Давления и т.д.) в первичные параметры ЭЛП и, в соответствии с (1), (.2), в значения волнового сопротивления и коэффициента распространения.
Таким образом, при размещении подобной ош ородной ЭЛП в неоднородной,
, например,врднбй- среде, волновое сопро, - тивлениё ЭЛИ становится неоднородным по .длине, причем характер распредел ия неоднородности нахадиТся в однозначном .соответствии с распределением вдоль
д ЭЦП исспедуемйго параметра среды. Это позволяет использовать ЭЛП в качестве датчика пространственного распределения параметров водной среды. При этом для получения информации о характере распределения неоднородности ЭЛП может быть примёней один из известных методов. Наиболее удобным, в данном случае представляетса метод импульсной рефлектометр ии. Сущгюсть этого метода заключается в посылке в ЭЛП зондирующего электромагнитного импульса и приеме эхо-СйГнаЛа, отразившегося от неош фодиостей т1нии.
После йрисма И масштабно-временного (координатног-о) преобразования сигнал, 5 может быть ИНДйЦирова1я на экране ЭЛП (зафиксировав на самописце) непосредственно в аналоговом виде, либо подвергнут да71ьиейшему аналого-цифровому преобраэованию для регисграции в цифровом виде По величине и форме отраженных импульсов бпределяется характер локальных неодиородностей исследуемой водной среды, а по моменту нх Появления определяется местоположение этих неоднородностей вдоль ЭЛП в момент проведения измере ння. Для получения пространственно-временных (или многомерных гтространствен:ных) разделений достаточно повторять по сылкн зондирующих импульсов в ЭЛП через необходимые интервалы времени (или в заданных пунктах профиля). Высокая чувствительность современных -масштабно-временных, например стробоскоаических преобразователей (единицы и доли милливольт) позволяет регистрировать неоднородности с коэффициентом отражения менее 10 - Ю и с пространствен ным разрешением в единицы сантиметров. Учитьюая такую ысокую чувствительност связь параметров распределения иссле; ® мой величины с величинами устанавййваю щихся в ЭЛП и соответствующих эток распределению коэффициентов от|)ажеийя может быть подобрана таким образом, что ослабление сигнала, вызванное отражениями, будет несущественным равно как и прямые потери в пределах используемого для преобразования участрка длины эли, Применение 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 длинрй линии фазовой скорости распространения по ней электромагнитных колебаний, которая для коаксиальной ЭЛП с полистнроловым диэлектриком составляет величину Уф где С - скорость света. Возможность использования предлагаемого датчика для измерения пространственного распределения параметров среды ниже поясняется примером, П р и м е р. При исследованиях тонкой слоистой структуры природных вод представляется удобным использовать предлагаемый датчик для контроля за пространст венным распределением таких, например, параметров, как электропроводность, температура. В случае малых значений электропроводности, например, в пресной воде, одним из npocTbtx вариантов, приемле- мых ввиду малого затухания сигнала .линии, может явиться датчик на базе двухпроводной ЭЛП. Двухпроводная линия является открытой, чacти шo излучающей., линией, поэтому электрические свойства среды, окружающей эту линию, в значительной мере определяют распределенные Ьараметры ЭЛП, и,в первую очередь,волновое сопротивление, В этом случае лока „ьная нёошороздо тьГобус овпенная изменением электропроводаости среды, может быть представлена на эквивалентной схеме в виде элемента в проводимостью С« v(U включенного параллельно (шунтир1тощее включение) в линию с чисто активным волновьгм сопротивлением vi/ . (фиг. 2а}., Учитывая, что магнитная и диэл е1сзрическая прошгцаемостиТводы практически постоянны и малы в диапазоне реальных температур, соленостей и частот, для демонстрационных цепей правомерно Допущение чисто активной проводимости. При использовании в качестве зондирующего сигнала перепада напряжения единичной a tшитyды и длительностью фронта 1ф, т,е. вида u,(t}-|-Ut)(t-tcpb 3) , отраженный сигнал имеет ту же форму, а его амплитуда в случае малой неоднфодности будет равна , W УО При достаточной длительности зондирующего сигнала он складьшается с отраженным, образуя на входе ЭЛП суммарный сигнад t .,., t-tc (t}- &L{t-t)t J3ЬОЭ /ф J. . 1. 1 ь btto v полсазанный линией а на фнг, 2в. Координата неодн(родносги, отсчитыаемая от начала линии, X Va3tj,/2 , де t 5 - время запаздывания переднего ронта отраженного сигнала, а Уф - скоость распространения сигнала в линии, сли при использовании осциплотрафа в ачестве индикатора его вертшсальную сь програду(фовать в величинах эЛекг
опроводносги водной среды,- то можно непосредственно по осциллограмме опре делять огносйгельные величины локал. ных значений электропроводности вбды вдоль датчика. При R отра х/
женньй сигнал имеет величину, Vo
.,
В пределе, увеличивая на линии колиество участков с учитываемой шунтируюей неоднородностью (электропроводнотью воды) и уменьшая их длину, полуим, распределение неодифодностей в лиии, соответствующее распределейяю лектропроводности воды вдоль лййтаи. При этом на индикаторе (регистраторе) импульсного рефлектометра будет отобажаться сигнал, соответствующий мгновенному непрерывному профилю пространственного.распределения электропроводности. Возможность определения параметров системы неоднфодностей пинии показана в работе, В случае с высоким значением электропроводлостй (морской воды) в качестве датчика пространственного распределения эпектропрргводности среды целесообразно использовать либо однопроводную линию(изсяхиро-ванный проводник, без экрана), пибо коаксиальный экранированный кабель с искусственно ослабленной экранирующей способностью, например, счет уменьшения толщины внешнего экранирующего проводника, или за счёт его частичного удаления (при полном удалении получим вар-иант однопрсводной линии)..
При -удалении внешнего .проводника линии на отдельном участке эквивалентная электрическая, схема может быть арейста.злена следующим образом (фиг, fj Обра овавщгшся в месте удаления дисвре-. тная неоднородность, обусловленная изменением электропроводности (электропроводность морской воДы вместо эвект ропроводности металла внешнего провод.ника), представлена здесь, в отлиЧие от варианта двухпроводной линии, элементом, в виде активного сопротивления Bf, последовательно включенного в линию о вояйо-. вым сопротивлением VV, При зондировании тшсой нёоллородности с помрщыо импульсного рефлектометра единичньЫ перепйдбм на1фяжения (амплитуда отраженногр Сигнала У, -, .В , а длительность фронта
- О gi-2W
(как и в предьщущем варианте дву проводного датчика) сохраняется равной дли -тельности фронта зсядирующего имйульса. Суммарный сигнал на входе показан Л1шией б на фиг. 2$ Координата НеоД нородности условно принята такой же,
как и в варинате двухпроводного датчика, В пределе, увеличивая количество участ-, ков 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 пространственного распределения темттературЬг
морской воды.
Температура представляет собой параметр среды, не влияющей непосредст венно на распространение :электромагнитных колебаний в ЭЛП, поэтому для
измерения распределения, температуры предварительно должно быть произведено йреобразование ее значений в один их первичных параметров ЭЛП, например в изменение емкости, в том числе и за
сче-г температурной зависимости диэлектрической проницаемости материала диэле.ктрика. Вариант с температурим зависимостью активного сопротивления представляется более предпочтительным, поскольку неоднородности реактивного тила могут ограничить разрешающую споco6HOCTb,s датчика. В этом случае для увеличения чувствительности датчика желательно использовать в проводникахлинии материал с повышенной зависимостью
удельной электропроводности от температуры.
Перечисленные варианты датчиков могут использоваться как в составе автоматической буйковой станц1 и заякоренного, или дрейфующего судна, . я-ак и в режиме буксировки. Специфика использования датчика в составе автоматических буйковых станций заключается лишь в отсутствии необходимости визуализации
результатов измерения и ручного угфавления, в то время как на судне такая возможность обычно желательна. Датчик применим также в других областях. Очевидной является возможность измерения
распределения параметров сыпучих и газообразных сред, кроме того, при размещейии в скважинах датчик может быть )использован для контроля, изменений профиля электропроводности в интересах
прбгнозирования землетрясений, для геофизичефкого каротажа и др.
Применение известной злектррмагнит ой линии передачи .в качестве датчика 8 пространствешшго распределения парамети . ров среды оказалось возможным благода- ря использованию зависимости распреДеления параметров линии (волнового сопрог тивления) от распределения вдоль линяв физических параметров среды. Применение известной электромагнитной линии передачи в качестве датчика, а рефлектометра, в качестве измерителя , пространственного распределения параметров среды имеет преимущества, так как устройство просто по конструкции и удобно в эксплуатации, не вносит сущесгвен-ных возмущений в исследуемую среду, обеспечивает более высокую скорость проведения измерений по. сравнению с из вестными, может применяться в океано-. логических исследованиях, как в лабораторных бассейнах, так и в экспедиционных условиях с борта судна, либо в составе автоматической буйковой станции. Аппаратура поддается оперативным модификациям и допускает возможности раз личных вариантов конструктивного выпол.нения в соответствии с целями и условиями приводимых измерений. Дополнитепьнъш преимуществом предлагаемого устройства является отсутствие необходимости в исследовательской аппаратуре, требующей
Применение электромагнитной линии передачи в качестве датчика пространственного распределения параметров водной
среды.
Источники информации, пр№ятые во внимание при экспертизе
1. Маклаков А. Ф. Океанологические приборы. Л., Гидрометеоиздат , 1975, с, 17 (прототип). 58 герметизации н защиты от давления, чго способствует еще большей экономии от внедрения гфедпожения в практику океанологических исследований. Использование электромагнитной линии передачи в качестве датчика пространсгх венного распределения параметров водной среды сокращает расходы на разработ- . ку, совершенсгрование и .эксплуатацию устройств,; с датчиками сосредоточенного тиаа, применяемых при снятии пространственных распределений параметров воднс1|{ среды методом ее механического зондирования и методом датчиковой измерительной сети. Формула изобретен
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
Способ определения расстояния до неоднородности или повреждения двухпроводной линии по ее рефлектограмме | 2017 |
|
RU2660222C1 |
РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЙ ВЛАГОМЕР | 2003 |
|
RU2269766C2 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ МНОГОСЛОЙНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2019 |
|
RU2723978C1 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2002 |
|
RU2213982C1 |
СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА К ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО ЕГО ВОЛОКНАМ ИНФОРМАЦИИ, СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ, ПЕРЕДАВАЕМОЙ ПО ВОЛОКНАМ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА, И КОМБИНИРОВАННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ | 1992 |
|
RU2051393C1 |
УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ МНОГОПРОВОДНЫХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧИ | 2009 |
|
RU2386964C1 |
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ГЕОРАДАРА | 2008 |
|
RU2430452C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛА | 2017 |
|
RU2665692C1 |
СПОСОБ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ | 2010 |
|
RU2456644C2 |
СПОСОБ МОРСКОЙ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2012 |
|
RU2557675C2 |
С тW
C llGсФ
W
W
,хГ
/
Uo
IM
УО
Ее.
W
W
а
f
Фиг.2 е Uhad i,
Авторы
Даты
1981-02-15—Публикация
1979-02-16—Подача