Оптико-электронное устройство

 

Изобретение относится к оптико-электронным средствам исследования структуры океана, используемым в составе измерительных комплексов на научно-исследовательских судах и гидрометрических буях. Цель изобретения - расширение информативности устройства Устройство содержит подва преобразователя показателя преломления и температуры два нагревательных элемента размещенных перед преобразователями показателя преломления в носовой части устройства и подключенных к генератору синусоидального напряжения, два фазоизмерительных устройства, входы которых подключены к генератору и к преобразователям показателя преломления, установленным на основаниях соединенных шарниром и снабженных датчиком угла поворота одного основания относительно другого Выходы датчика и преобразователей подключены к вычислительному блоку, где по известным формулам производится расчет частоты Брента-Вяйсяля и числа Ричардсона 1 з п ф-лы, 1 ил ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 И 21/41

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОГ)ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОЫ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4685118/25 (22) 26.04.89 (46) 15.03.91. Бюл. № 10 (72) Г.Г.Ворцман, Э.И.Красовский, Б,В,Наумов, В.Л.Смолович и А.В.Кусилов (53) 535.321.9(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 920477, кл. G 01 N 21/41, 1980.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1149145, кл. G 01 N 21/41, 1983. (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к оптико-электронным средствам исследования структуры океана, используемым в составе измерительных комплексов на научно-исследовательских судах и гидрометрических буях.

Цель изобретения — расширение информаИзобретение относится к оптико-электронным средствам исследования структуры океана, используемым в составе измерительных комплексов на научно-исследовательских судах и гидрометрических буях.

Цель изобретения — расширение информативности устройства.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройство содержит преобразователи

1 и 2 показателя преломления в электрический сигнал, перед чувствительными элементами которых со стороны носовой части устройства (на чертеже Слева) установлены нагревательные элементы 3 и 4, подключенные к генератору 5 синусоидального напряжения с постоянным смещением через ключ

6. Управляющий вход последнего соединен с сы:;одом блока 7 управления системы 8. Ж,, 1635083 А1 тивности устройства. Устройство содержит по два преобразователя показателя преломления и температуры, два нагревательных элемента, размещенных перед преобразователями показателя преломления в носовой части устройства и подключенных к генератору синусоидального напряжения, два фазоизмерительных устройства, входы которых подключены к генератору и к преобразователям показателя преломления, установленным на основаниях. соединенных шарниром и снабженных датчиком угла поворота одного основания относительно другого. Выходы датчика и преобразователей подключены к вычислительному блоку, где по известным формулам производится расчет частоты Брента-Вяйсяля и числа Ричардсона. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. обработки информации. Выходы преобразователей 1 и 2 показателя преломления подключены к первому и второму входам блока 9 вычисления, а также через полосовые фильтры 10 и 11 — к первым входам фазоизмерительных устройств 12 и 13, вторые входы которых соединены с выходом ключа 6, а выходы — к третьему и четвертому входам блока 9 вычисления. Кроме того, к пятому входу блока 9 подключены выходы ключа 6, а к шестому и седьмому входам— выходы преобразователей 14 и 15 температуры, каждый из которых размещен на едином основании с соответствующим преобразователем показателя преломления (на основании 16 — преобразователи 1 и 14, на основании 17 — преобразователи 2 и 15).

К кормовой части оснований (на чертеже справа) прикреплены вертикальные (в рабочем положении устройства) стабилизаторы

1635083

18 и 19, Основания соединены между собой цилиндрическим шарниром 20, обеспечивающим возможность вращения одного иэ оснований относительно другого вокруг вертикальной оси (в рабочем положении).

Оба основания механически соединены с датчиком 21 угла поворота одного основания относительно другого. Выход датчика

21 подключен к восьмому входу блока 9 вычисления. Выход системы 8 обработки информации соединен с входом устройства 22 регистрации.

Устройство работает следующим образом, При нахождении судна в дрейфе или его движении устройство, шарнирно связанное с тросом, крепящим его к судну, ориентируется благодаря наличию стабилизаторов 18 и 19 так. что носовые части оснований 16 и

17 обращены к набегающему потоку. При этом основания 16 и 17 располагаются на разных горизонтах (соответственно верхнем и нижнем). Стабилизаторы 18 и 19 и шарнир 20 (вместе с шарниром троса) обеспечивают ориентацию продольных осей оснований 16 и 17 параллельно набегающему потоку соответственно на верхнем и нижнем горизонтах. При этом с выхода датчика

21 угла поворота между основаниями 16 и

17 на вход вычислительного блока 9 поступает сигнал, несущий информацию о величине угла а1 г между скоростями нагегающего потока U> и Ог на верхнем и нижнем гооизонтах. Преобразователи показателя преломления 1 и температуры 14 размещены в непосредственной близости друг к другу (значительно ближе, чем к преобразователям 2 и 15), так что одновременно измеряется температура и показатель преломления практически единого обьема воды, расположенного на верхнем горизонте (а преобразователями 2 и 15 — те же параметры обьема воды, расположенного нэ нижнем горизонте). Выходы преобразо.-этелей подключены к входу вычислительного блока 9, который по команде, посгупающей из блока 7управления, вычисл яет плотность воды на обоих горизонтах по измеренным значениям показателя преломления и температуры. После вычисления значения плотности сохраняются в запоминающем устройстве вычислительного блока, а на блок 7 с блока 9 поступает сигнал окончания вычисления. После этого с блока

7 поступает сигнал на ключ 6, приводящий его в открытое состояние, и на нагревательныее элементы начинает поступать с генератора 5 синусоидальное напряжение с постоянным смещением, При этом создают15

45 ся периодические изменения температуры воды, омывающей элементы 3 и 4. В качестве нагревательных элементов могут быть использованы проволочные либо пленочные резисторы, а также инфракрасные светодиоды либо лазеры. Благодаря тому, что выходное напряжение генератора 5 содержит постоянную составляющую. равную амплитуде колебаний синусоидальной составляющей, изменения температуры воды также носят синусоидальный характер (после времени переходного процесса). Этим колебаниям температуры соответствуют синхронные колебания показателя преломления (описыаваемыв соотношениями, и риведенными в цитируемой монографии).

Поскольку нагревательные элементы размещены ближе к носовой части устройства. чем рефрактометрические преобразователи, и на тех же горизонтах, что и соответствующие преобразователи показателя преломления, периодически нагреваемые водные массы попадают благодаря наличию либо течения, либо дрейфа, либо движения судна на чувствительные элементы рефрактометрических преобразователей 1 и 2, что вызывает появление на их выходах периодической составляющей напряжение U> и Uz соответственно:

U1 = Up>sin (on + oi — -), ui

Ог = Оог sin (on+a — ), I ог где 0о1u 13ог - амплитуды колебаний периодических составляющих напряжения на выходе соответственно преобразователей 1 и2; е — круговая частота синусоидального напряжения нэ выходе генератора 5;

t — время;

1 — расстояние между нагревательным элементом и чувствительный элементом рефрактометрического преобразователя;

U t u Uz — скорости перемещения водных масс относительно преобразователей 1 и 2.

Поскольку наряду с периодической составляющей выходные сигналы могут содержать также составляющие. обусловлен ные флуктуация ми показател я преломления и поглощения воды и собственным шумом преобразователя, для повышения точности измерения выходные сигналы поступают на входы полосовых фильтров 10 и 11. выделяющих сигналы с частотой в . С выходов фильтров синусоидальные сигналы поступают на вход фазоизмерительных устройств, на вторые входы которых поступает с выхода генератора 5

1635083 через ключ 6 си11усоидальное напряжение

U=Uo sinNt, где Uo — амплитуда, постоянная составляющая выходного напряжения генератора предварительно отфильтровывается фильтром высоких частот, входящим в состав фазоизмерительного устройства либо подключаемым между этим устройством и ключом 6.

С выходов фазоизмерительных устройств 12 и 13 на вход блока 9 вычисления поступают сигналы, пропорциональные разностям фаз у vl р2 между напряжением генератора и выходными напряжениями соответствующих рефрактометрических устройств (поскольку используются полосовые фильтры, не создающие сдвига фазы выходного сигнала по отношению к выходному):

Р1 =Ж вЂ”; 2 =й) —. ц2

В блоке вычисления по поступающей информации о р1, и ю при известном

1 вычисляются значения водных масс относительно рефрактометрич ских преобразователей. Как следует из векторного анализа, разность векторов скоростей течения на верхнем Llr1 и нижнем Ur2 горизонтах (бт1ба) равна разности измеряемых скоростей

W1 = От1- vl72= О; К. где 0,-скорость судна - озтому числен тле значение разности скоростей течения Л О равно

-э -Ф

Лц = От1 — От2 t = ц1 — ц2

= U1 + Π— 2ll 1 U2 СОЯ Cl1,2

2 1.2 (последнее приближение справедливо при

Q1,2«1), По этой формуле и известному расстоянию hZ между преобразователями 1 и

2 в вычислительном блоке 9 рассчитывается значение градиента д hu д Ы а также значения частоты Брента-Вяйсяля N и числа Ричардсона R . где и — скорость течения;

z — вертикальная координата;

p — потенциальная плотность, т.е. плотность, адиабатически приведенная к стан;,s,.»HoMó давлению;

g — ускорение свободного падения.

Вычисленные значения N u Ri регистрируются устройством 22, после чего с блока управления поступает сигнал, приводящий ключ 6 в закрытое состояние. и по оконча5 нии переходного процесса начинается новый цикл измерений.

Возможность измерения частоты Брента-Вяйсяля и числа Ричардсона практически непрерывно и одновременно(с перисдично10 стью, значительно меньшей, чел интервал времени, на котором наблюдаются заметные изменения этих параметров) позволяет существенно повысить эффективность океанологических исследований. Техническая

15 эффективность предлагаемого устройства обусловлена также реализацией методов, обеспечивающих измерения параметров с максимально достижимой точностью; использование для регистрации периодиче20 ских изменений температуры воды (формируемых элементами 3 и 4). преобразователей показателя преломления делает измерения более точными, чем при использовании высокочувствительных термомет25 рических преобразователей, вследствие временной инерционности последних, что не позволяет реализовать достаточно большие частоты изменения температуры воды и, кэк следствие, достаточно большие фазо30 вые сдвиги, так кэк при фиксированной разности скоростей фазовый сдвиг пропорционален частоте. Кроме того, использование метода фазовых измерений в совокупности с полосовой фильтрацией, 35 позволяет существенно снизить влияние флуктуаций амплитуды колебаний температуры и пространственного расхождения отдельных микрообьемов воды, обусловлен ного турбулентным перемеши40 вэнием на пути водных масс от нагревательного элемента до рефрэктометрического преобразователя.

Формула изобретения

1. Оптико-электронное устройство для

45 измерения параметров океанических вод, содержащее два оптико-электронных преобразователя показателя преломления, выходы которых подключены к системе обработки информации, включающей блоки

50 вычисления и управления, соединенные друг с другом шиной связи, выход системы обработки информации подключен к устройству регистрации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения информатив55 ности устройства, в него введены два преобразователя температуры, два нагревательных элемента, генератор, ключ. два полосовых фильтра, два фазоизмерительных устройства, два основания, два стабилизатора, шарнир и датчик угла поворота

1635083

Составитель А.Ястребов

Техред М.Моргентал Корректор М.Демчук

Редактор М,Петрова

Заказ 752 Тираж 410 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб . 4/5

Г!роизводственно-издательский комби ат Патент", г Ужгород, уп f агарцина, 101 одного основания относительно другого, при этом каждый нагревательный элемент установлен перед соответствующим чувствительным элементом преобразователя показателя преломления со стороны носовой части устройства и соединен через ключ с выходом генератора, выходы преобразователей показателя преломления соединены через полосовые фильтры с первыми входами соответствующих фазоизмерительных устройств, выходы которых подключены к третьему и четвертому входам блока вычисления соответственно, вторые входы фазоизмерительных устройств и пятый вход блока вычисления соединены с выходом ключа, шестой и седьмой входы блока вычисления подключены к выходам преобразователей температуры, выход блока управления соединен с управляющим входом ключа, каждый преобразователь температу5 ры размещен на одном основании с соответствующим преобразователем показателя преломления, к кормовой части основания прикреплены стабилизаторы, основания соединены между собой шарниром. а выход

10 датчика угла поворота одного основания относительно другого подключен к восьмому входу блока вычисления.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что полосовые фильтры и фазоиэме15 рительные устройства введены в состав блока вычисления.