Оптико-электронное устройство

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 83 А 1 5)5 6 01 И 21/41 ГОСУДА Р СТ В Е ННЫ И КОМИ ТЕ ТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОЬ 1 СВИДЕТЕЛЬСТВУ 57) И зоб ре онным сре океана, исп тельных ком ЛЬСКИХ Сель изобр Изобнным с етение относится к опредствам исследования спользуемым в соста омплексов на научноудах и гидрометричес эобретения - расшире и устройства,ртеже приведена струк ства. ико-электструктурые измери- исследоваих буях. ниеинфоркеана, и ельных к тельских с Цель и мативнос На че ма устройО рная схесодержит преобразователипреломления в электричеред чувствительными злех со стороны носовой части ертеже Слева) установлены элементы 3 и 4, подключену 5 синусоидального напряным смещением через ключ вход последнего соединен а 7 управления системы 8 Устроиство 1 и 2 показателя ский сигнал, пе ментами которы устройства (на ч нагревательные ные к генератор жения с постоян 6, Управляющий с сы:;одом блок(54) ОПТЫ КО-ЭЛ Е КТРОН НОЕ УСТРОЙО ение относится к оптико-электствам исследования структуры ользуемым в составе измериплексов на научно-исследовадах и гидрометрических буях. тения - расширение информативности 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 б, а выходы - к третьему и четвертому входам блока 9 вычисления, Кроме того, к пятому входу блока 9 подключены выходы ключа б, 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) стабилизаторы10 50 55 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 а 1,2 между скоростями наМгающего потока 01 и 02 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 на нижнем горизонте). Выходы преобразог-этелей подключены к входу вычислительного блока 9, который по команде, посгупающей из блока 7 управления, 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 создают 15 20 25 30 35 40 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, приведенными 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 01 и 02 соответственно:01 = 001 эи (ая+в),Ог = Ооз в 1 п им + в - ),оггде Оо 1 и Оог - амплитуды колебаний периодических составляющих напряжения на выходе соответственно преобразователей 1 и 2;в - круговая частота синусоидального напряжения на выходе генератора 5;1 - время;1 - расстояние между нагревательным элементом и чувствительный элементом рефрактометрического преобразователя;01 и Ор - 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 щ . С выходов фильтров синусоидальные сигналы поступают на вход фазоизмерительных устройств, на вторые входы которых поступает с выхода генератора 5через ключ 6 синусоидальное напряжение О=Оо зпью, где Оо - 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 и р 2 между напряжением генератора и выходными напряжениями соответствующих рефрактометрических устройств (поскольку используются полосовые фильтры, не создающие сдвига фазы выходного сигнала по отношению к выходному):01 = Ж - ; Г 2 = й) - ,ц 2В блоке вычисления по поступающей информации о р щ и ю при известном 1 вычисляются значения водных масс относительно рефрактометрич ских преобразователей, Как следует из векторного анализа, разность векторов скоростей течения на верхнем Л 1 и нижнем 02 горизонтах бт 1- б 2) равна разности измеряемых скоростей 771 = СГт, -И СГ 2= Огз К, ГдЕ О,-СКОрОСтЬ судна оэтому численное значение разности скоростей течения Л О равноф ф ф Ф ЛО =От 1 - От 2=Ц 1 - ц 2 щ Ъц + в - 2 и 1 л соя а,2 =2 О 1.2 (последнее приближение справедливо при а 1,21), По этой формуле и известному расстоянию ЛЕ между преобразователями 1 и 2 в вычислительном блоке 9 рассчитывается значение градиентад Ьд Ыа также значения частоты Брента-Вяйсяля М и числа Ричардсона Як где и - скорость течения;г - вертикальная координата;р - потенциальная плотность, т.е. плотность, адиабатически приведенная к стандэ,. ному давлению;9 - ускорение свободного падения. Вычисленные значения й и В регистрируются устройством 22, после чего с блокауправления поступает сигнал, приводящийключ 6 в закрытое состояние. и по оконча 5 нии переходного процесса начинается новый цикл измерений,Возможность измерения частоты Брента-Вяйсяля и числа Ричардсона практическинепрерывно и одновременно(с перисдично 10 стью, значительно меньшей, чеь интервалвремени, на котором наблюдаются заметные изменения этих параметров) позволяетсущественно повысить эффективность океанологических исследований. 1 ехническая15 эффективность предлагаемого устройстваобусловлена также реализацией методов,обеспечивающих измерения параметров смаксимально достижимой точностью; использование для регистрации периодиче 20 ских изменений температуры воды(формируемых элементами 3 и 4), преобразователей показателя преломления делаетизмерения более точными, чем при использовании высокочувствительных термомет 25 рических преобразователей, вследствиевременной инерционности последних, чтоне позволяет реализовать достаточно большие частоты изменения температуры водыи, кэк следствие, достаточно большие фазо 30 вые сдвиги, так кэк при фиксированной разности скоростей фазовый сдвигпропорционален частоте, Кроме того, использование метода фазовых измерений в совокупности с полосовой фильтрацией,35 позволяет существенно снизить влияниефлуктуаций амплитуды колебаний температуры и пространственного расхождения отдельных микрообьемов воды,обусловлен ного турбулентным перемеши 40 вэнием на пути водных масс от нагревательного элемента до рефрэктометрическогопреобразователя.Формула изобретения1. Оптико-электронное устройство для45 измерения параметров океанических вод,содержащее два оптико-электронных преобразователя показателя преломления, выходы которых подключены к системеобработки информации, включающей блоки50 вычисления и управления, соединенныедруг с другом шиной связи, выход системыобработки информации подключен к устройству регистрации, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения информатив 55 ности устройства, в него введены два преобразователя температуры, дванагревательных элемента, генератор, ключ.два полосовых фильтра, два фазоизмерительных устройства, два основания, два стабилизатора, шарнир и датчик угла поворота1635083 Составитель А,ЯстребовТехред М.Моргентал Корректор М.Демчик Редактор М,Петрова Заказ 752 Тираж 410 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Гроизводственно издательский комбинат Патент", г Ужгород, уп 1 агарина, 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 температу 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 фазоиэме рительные устройства введены в состав блока вычисления.