ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СОЛЕНОСТИ ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, например, в океанологии и гидрофизике для измерения солености морской воды.
Известно устройство для измерения солености воды - ареометр, которое широко используются в морской аквариумистике. Ареометры требуют для своей работы наличия поверхности раздела вода-воздух, обладают низкой точностью и разрешающей способностью измерений и поэтому не используются, например, для океанологических измерений.
Известны устройства для измерения солености, основанные на измерении электропроводности (Gregg M.C. Dynamic response calibration of the Neil Brown conductivity cell // J. Phys. Oceanogr. 1982. V.12, N 7. P.720-742; Fozdar P.M., Parker G.J., Imberger J. Matching temperature and conductivity sensor response characteristics // J. Phys. Oceanogr. 1985. V.15, N 11. P.1557-1569; Парамонов А.Н., Кушнир В.М., Забурдаев В.И. Современные методы и средства измерения гидрологических параметров океана // Киев. Наукова думка. 1979. 248 с; Смирнов Г.В., Лавров С.А., Рабинович М.Е., Светличный А.С.Первичные измерительные преобразователи океанографических параметров // Владивосток. Изд-во ДВГУ. 1990. 296 с). Соленость морской воды рассчитывается по измеренным значениям электропроводности с учетом температуры и давления в соответствии с «Практической Шкалой Солености - 1978» (PSS-78) (Fofonoff N.P., Millard R.C. Algorithms for computation of fundamental properties of seawater // UNESCO technical papers in marine sciences. UNESCO. 1983. V.44. 53 p.), при этом электропроводность среды измеряют, например, с помощью электродов или с помощью индуктивности.
Устройства, основанные на измерении электропроводности с помощью электродов, состоят в основном из блока регистрации, подключенного к электродам измерительной ячейки, находящейся в измеряемой среде (з. РФ №96100811, опубл. 1998.03.20). Основным недостатком таких устройств является то, что электроды со временем имеют тенденцию отклоняться от стандартного напряжения в результате электрохимических процессов.
Такого недостатка лишены устройства измерения электропроводности, использующие индукционный метод (п. РФ №2299426, №2209421). Основу таких устройств составляют генератор электрических колебаний, два трансформаторных
кольца, расположенных в измеряемой среде на некотором расстоянии друг от друга, и измерительное устройство. Выход генератора соединен с первым трансформаторным кольцом, а выход второго трансформаторного кольца соединен с измерительным устройством. Электропроводность воды измеряется по напряжению, индуцированному во втором кольце. Такое устройство установлено, например, в океанологическом зонде SeaBird производства SeaBird Electronic (США).
Недостатком данных устройств являются их относительно большие размеры, на практике составляющие не менее нескольких сантиметров в каждом направлении, что приводит к низкой разрешающей способности измерений и к ошибкам в измерении электропроводности из-за эффекта пограничного слоя при движении устройства, например, в неоднородной стратифицированной жидкости при измерении профилей солености в океане, где часто наблюдается мелкомасштабная неоднородность по солености. Кроме того, общим существенным недостатком всех устройств измерения солености, основанных на измерении электропроводности, является подверженность их воздействию различных электрических помех и зависимость электропроводности от типа растворенной в воде соли из-за различной подвижности ионов.
Данных недостатков лишены оптические методы измерения солености.
Известны оптоволоконные измерители солености воды (п. РФ №2038580, а.с. СССР №1303909, Esteban О., Navarrete M.C., Gonza A., Cano L., Bernabeu E. Measurement of the degree of salinity of water with a fiber-optic sensor // Applied optics. 1999. V.38, No.25. P.5267-5271; Diaz-Herrera N., Esteban O., Navarrete M.C., Le Haitre M., Cano G.A. In situ salinity measurements in seawater with a fibre-optic probe // Meas. Sci. Technjl. 2006. V.17. P.2227-2232, п. РФ №2292038, п.п. США №5005005, 5362971, 6130439). Работа таких измерителей основана на регистрации изменения показателя преломления жидкости, который зависит от концентрации в ней солей. Как правило, оптоволоконный измеритель солености воды состоит из источника монохроматического излучения, оптически соединенного с оптическим волокном, противоположный конец которого оптически соединен с приемником излучения. Датчик солености представляет собой очищенную от оплетки часть оптического волокна, помещенного в измеряемую жидкость. На внешнюю поверхность очищенной части нанесено тонкое (порядка 10 нм) двухслойное металлическое покрытие. Потери излучения, которые возникают в датчике при соприкосновении с измеряемой средой, зависят от показателя преломления среды (солености среды). О величине солености судят по величине амплитуды излучения, дошедшего до приемника излучения: при
увеличении солености амплитуда зарегистрированного сигнала уменьшается, поскольку увеличивается показатель преломления жидкости, а разность между показателями преломления жидкости и материала оптического волокна уменьшается и, в результате, большее количество излучения выходит из волокна в жидкость.
Однако, для достижения необходимой чувствительности подобных измерителей, датчик солености выполняется достаточно протяженным (десятки сантиметров), что приводит к низкой разрешающей способности измерений. Во-вторых, пересчет показаний измерителя в соленость производится по сложным эмпирическим формулам, которые зависят от применяемой конфигурации датчика солености, то есть диаметра, радиуса изгиба, длины участка оптического волокна и т.д. Кроме того, такие датчики являются дорогостоящими и очень чувствительны к механическим повреждениям.
Известен измеритель солености, представленный в работе Zhao Y. Monitoring Technology of Salinity in Water With Optical Fiber Sensor // J. of lightwave technology. 2003. V.21, N.5. P.1334-1338. Измеритель состоит из источника излучения, соединенного через оптическое волокно с датчиком солености, выход которого соединен с регистратором. Датчик солености состоит из прозрачной призмы, выполненной, например, из кварцевого стекла, и позиционно-чувствительного устройства (PSD), находящихся на некотором расстоянии друг от друга и погруженных в измеряемую жидкость. Излучение от источника излучения проходит через призму. Угол выхода излучения из призмы в измеряемую жидкость зависит от величины угла призмы и соотношения показателей преломления материала призмы и жидкости, а показатель преломления жидкости определяется в основном ее соленостью. Это отклонение регистрирует PSD, а регистратор формирует сигнал пропорциональный этому отклонению. О величине солености воды судят по величине амплитуды сигнала на выходе регистратора. Данный измеритель имеет несколько недостатков. Во-первых, датчик измерителя является достаточно сложным, дорогостоящим и чувствительным к механическим повреждениям. Во-вторых, использование прецизионного датчика PSD также удорожает измеритель. И, в-третьих, разрешающая способность измерителя ограничивается размерами датчика, которые существенно больше диаметра применяемого волокна, и на практике составляют несколько сантиметров в каждом направлении.
Перечисленных недостатков лишен выбранный в качестве прототипа волоконно-оптический измеритель солености, представленный в статье Chang K.A., Lim H.J., Su C.B. A fibre optic Fresnel ratio meter for measurements of solute concentration and refractive
index change in fluids // Meas. Sci. Technol. 2002. V.13. P.1962-1965. Данный измеритель солености жидких сред состоит из управляемого от генератора импульсов источника излучения, оптически соединенного с соединительным оптическим волокном, противоположный торец которого оптически соединен с входом оптического разветвителя Х-типа, первый вход-выход которого соединен с измерительным оптическим волокном, а второй вход-выход - с опорным оптическим волокном, при этом выход разветвителя оптически соединен с приемником излучения, выход которого соединен с устройством обработки сигналов, выполненным на базе персонального компьютера. Свободный торец измерительного волокна введен в измеряемую среду. Свободный торец опорного волокна находится в контакте с окружающим воздухом. Излучение от источника излучения попадает через соединительное оптическое волокно, разветвитель и измерительное и опорное волокна на свободные торцы измерительного и опорного волокон. Отраженные от свободных торцов измерительного и опорного волокон сигналы через эти волокна и разветвитель попадают на приемник отраженного излучения. Длину опорного волокна подбирают таким образом, чтобы время прохода импульса по опорному волокну от разветвителя до свободного торца и обратно превысило длительность импульса. В результате такой временной задержки на выходе разветвителя импульсы излучения, отраженные от свободных торцов измерительного и опорного оптических волокон, оказываются разделенными во времени, что позволяет измерить их амплитуды. Величина отраженного от торца измерительного волокна сигнала чувствительна к показателю преломления среды, а, значит, и к ее солености. Устройство обработки сигналов осуществляет выделение этих сигналов, нормировку - деление амплитуды импульса с измерительного волокна на амплитуду импульса с опорного волокна, и регистрацию сигнала. Нормировка приводит к устранению долговременной нестабильности источника излучения и повышает точность измерений. О величине солености судят по величине сигнала на выходе устройства обработки сигнала: при увеличении солености амплитуда зарегистрированного сигнала уменьшается.
Данный измеритель позволяет измерить соленость с высокой разрешающей способностью, которая определяется диаметром сердцевины измерительного оптического волокна и длиной волны используемого излучения. Основным недостатком данного измерителя являются его большие размеры и вес, связанные с большой длиной опорного волокна (на практике для того, чтобы осуществить необходимую для разделения импульсов задержку, превышающую длительность
импульса, длина опорного волокна превышает десятки километров), а также низкая точность измерений из-за влияния на результат измерения состояния свободного торца опорного волокна, который в реальном случае из-за соприкосновения с воздушной средой не является идеально чистым.
Задачей предлагаемой полезной модели является уменьшение размера, веса измерителя и повышение точности измерения солености.
Поставленная задача решается волоконно-оптическим измерителем солености, состоящим из управляемого от генератора импульсов источника излучения, оптически соединенного с соединительным оптическим волокном, противоположный торец которого оптически соединен с входом оптического разветвителя Х-типа, один из вход-выходов которого соединен с измерительным, а второй - с опорным оптическим волокнами, свободный торец измерительного волокна помещен в измеряемую жидкость, а свободный торец опорного волокна оптически соединен с приемником опорного излучения, выход которого присоединен к устройству обработки сигналов, соединенного через приемник отраженного излучения с выходом разветвителя Х-типа.
На фиг.1 представлена блок схема заявляемого устройства. На фиг.2 - зависимость амплитуды сигнала с выхода устройства обработки сигналов от солености воды в промиллях.
Волоконно-оптический измеритель солености состоит из управляемого от генератора (1) импульсов источника (2) излучения, оптически соединенного с соединительным оптическим волокном (3). Противоположный торец оптического соединительного волокна (3) оптически соединен с входом оптического разветвителя Х-типа (4), один из вход-выходов которого соединен с измерительным оптическим волокном (5), а другой вход-выход - с опорным оптическим волокном (6), при этом выход разветвителя (4) оптически соединен с приемником (7) отраженного излучения. выход которого соединен с устройством (8) обработки сигналов. Свободный торец измерительного волокна (5) введен в измеряемую среду, а опорного волокна (6) оптически соединен с приемником (9) опорного излучения, выход которого соединен с устройством (8) обработки сигналов.
Достижение заявленного технического результата, а именно, уменьшение размера и веса измерителя, а также повышение точности измерения градиента солености происходит за счет изменения способа нормировки, а именно деления амплитуды импульса от торца измерительного волокна на амплитуду импульса от источника излучения, а не на амплитуду импульса от торца опорного волокна как в прототипе, что
позволило также и резко уменьшить длину опорного волокна до одного метра вместо нескольких десятков километров. Технически это достигается соединением свободного торца опорного волокна (6) с входом дополнительно установленного в измеритель приемника (9) опорного излучения, выход которого соединен с устройством (8) обработки сигналов.
Измеритель солености работает следующим образом. Излучение от источника (2) излучения попадает через соединительное оптическое волокно (3), разветвитель Х-типа (4) и измерительное оптическое волокно (5) на свободный торец измерительного оптического волокна (5), находящегося в измеряемой среде. Отраженный от свободного торца измерительного волокна (5) сигнал через измерительное оптическое волокно (5) и выход разветвителя (4) попадает на приемник (7) отраженного излучения. Излучение от источника (2) излучения через соединительное оптическое волокно (3), разветвитель (4) и опорное оптическое волокно (6) попадает также на приемник (9) опорного излучения. Сигналы с выходов приемников (7) и (9) излучений попадают на устройство (8) обработки сигналов, которое осуществляет деление величины амплитуды сигнала с измерительного волокна (5) на величину амплитуды сигнала с опорного волокна (6). Величина отраженного от торца измерительного волокна (5) сигнала чувствительна к показателю преломления среды, то есть к ее солености. Устройство (8) обработки сигналов осуществляет нормировку - деление величины амплитуды импульса с измерительного волокна (5) на величину амплитуды импульса с опорного волокна (6). Устройство (8) обработки может быть выполнено как на базе компьютера, так и представлять собой делитель сигналов, связанный с регистрирующей системой.
В отличие от прототипа, в данном случае, осуществляется нормировка на амплитуду импульса от источника излучения, а не от торца опорного волокна, что приводит к повышению точности измерений из-за устранения влияния на результаты измерений состояния свободного торца опорного волокна и уменьшению размера и веса измерителя за счет резкого сокращения длины опорного волокна.
О величине солености судят по величине сигнала на выходе устройства (8) обработки сигнала: при увеличении солености амплитуда зарегистрированного сигнала уменьшается.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, генератор импульсного напряжения, источник излучения, разветвитель Х-типа, приемники измерительного и опорного сигналов, а также устройство обработки
сигналов и используемые оптические волокна являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, оптических характеристик жидкости. Например, для проведения океанологических исследований в качестве генератора импульсного напряжения может быть использован стандартный генератор на микропроцессоре, излучающий импульсы длительностью, например, 0,1 мс с частотой около 1 кГц. При зондировании со стандартной скоростью 1 м/с, данная частота импульсов позволит получить разрешение по пространству порядка 1 мм. В качестве источника излучения может быть применен светодиод IDL5S-1300, излучение которого в диапазоне 1300 нм, в качестве приемников излучений любой стандартный фотоприемник, работающий в используемом диапазоне длин волн, например на основе InGaAs, a устройство обработки сигналов может быть выполнено на базе персонального компьютера или на микропроцессоре. В качестве оптических волокон могут использоваться стандартные крарц-кварцевые световоды с диаметром внутренней жилы, например, 9 мкм.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого волоконно-оптического измерителя солености, схема которого приведена на фиг.1. В качестве источника излучения использовался светодиод (IDL5S-1300) с длиной волны 1,3 мкм, на который с генератора импульсного напряжения подавались прямоугольные импульсы с частотой 2 кГц. Использовались кварц-кварцевые волокна с диаметром внутренней жилы 9 мкм. Устройство обработки сигналов выполнено на базе персонального компьютера «Matrix. Pentium 4». В качестве измеряемой жидкости использовалась дистиллированная вода, в которую добавляли хлористый натрий для получения солености от 0 до 4%.
Излучение от светодиода заводилось в соединительное волокно и поступало на вход оптического разветвителя Х-типа. Излучение с входа-выхода разветвителя (зондирующий канал) поступало на измерительное оптическое волокно, отражалось от свободного торца измерительного оптического волокна, помещенного в измеряемую жидкость, и далее через разветвитель поступало на приемник отраженного излучения. Опорное излучение с выхода разветвителя через опорное волокно поступало на приемник опорного излучения. Импульсы с выходов приемников опорного и отраженного излучений поступали на вход устройства обработки сигналов, которое осуществляет деление амплитуды импульса отраженного излучения на амплитуду импульса опорного излучения.
На фиг.2 представлен график зависимости амплитуды сигнала с выхода устройства обработки сигналов от солености водного раствора. Видно, что при
увеличении солености амплитуда сигнала практически линейно уменьшается. Исследуемый диапазон соленостей перекрывает диапазон соленостей морской воды.
Таким образом, за счет введения приемника опорного излучения в заявляемый измеритель солености, устранена необходимость использования в качестве опорного сигнала импульса, отраженного от свободного торца опорного волокна, что приводит к повышению точности измерения градиента солености, а осуществление нормировки относительно излучаемого, а не опорного сигнала, в десятки раз снижает вес и размер созданного волоконно-оптического измерителя солености.