RU2814064C1

RU2814064C1 - Прозрачномер морской воды

Info

Publication number: RU2814064C1
Application number: RU2023117962A
Authority: RU
Inventors: Михаил Ен Гон Ли; Сергей Вячеславович Федоров
Filing date: 2023-07-06
Publication date: 2024-02-21

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения показателя ослабления направленного света (прозрачности) в морской воде in situ. Прозрачномер содержит герметичный контейнер с двумя идентичными объективами-иллюминаторами в виде идентичных плосковыпуклых линз заданных размеров, в котором размещены: источник излучения в виде многоцветного светодиода; ограничивающая диафрагма; светоделительное устройство в виде тонкой прозрачной частично отражающей пластины с большим показателем преломления; прерыватель пучков излучения в виде управляемой поворотной шторки в форме сектора тонкостенного цилиндра; приемник излучения; диафрагма приемника излучения. Опорный и измерительный каналы выведены в исследуемую среду и содержат две идентичные отражающие триппель-призмы, установленные напротив соответствующих объективов иллюминаторов на заданных расстояниях от них. Триппель-призма опорного канала установлена на максимально близком расстоянии от объектива-иллюминатора этого канала. Триппель-призма измерительного канала установлена с возможностью ее перемещения относительно объектива-иллюминатора этого канала - для обеспечения изменения длины оптической базы измерительного канала в заданном широком диапазоне, и с возможностью ее фиксации на заданной длине оптической базы измерительного канала. Технический результат - повышение точности измерений показателя ослабления направленного света в абсолютных величинах; увеличение области использования прибора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения показателя ослабления направленного света (прозрачности) в морской воде in situ. Оно может быть использовано в океанологии, лимнологии и гидрографии для оценки прозрачности воды и вычисления других характеристик, которые могут быть выражены через прозрачность параметрически.

Прозрачномеры для in situ измерений показателя ослабления направленного света в морской воде, как правило, представляют собой герметичный контейнер с иллюминатором (иллюминаторами), источник излучения, фотоприемное устройство, коллиматор, светоделительное устройство, объектив, обтюратор, систему синхронизации, опорный и измерительный каналы. Изменение интенсивности пучка света при прохождении им заданного расстояния в среде регистрируется нормированием сигнала измерительного канала к сигналу опорного канала, а показатель ослабления вычисляется по закону Бугера.

Известны прозрачномеры морской воды [патент RU №2341786 на изобретение «Прозрачномер морской воды»; патент RU №2605640 на изобретение заявителя «Способ определения спектрального показателя ослабления направленного света в морской воде "in situ"»], содержащие выше указанные элементы, в которых опорный канал находится внутри герметичного корпуса, а измерительный - выведен в среду. Недостатком устройств такого типа является невозможность получения абсолютных значений показателя ослабления, так как градуировочная зависимость, полученная в оптически пустой среде (на воздухе), при погружении в воду изменяется из-за изменения пропускания и отражения на поверхностях оптических деталей, соприкасающихся с водой. Обычно решение данной технической проблемы осуществляется введением различных поправочных коэффициентов, но и они не позволяют достичь нужной точности измерений.

Сохранения градуировочной зависимости можно добиться путем выведения опорного канала в воду при условии строгой идентичности опорного и измерительного каналов. Известны прозрачномеры, работающие по такому принципу [патент RU №№2339934 на изобретение заявителя «Способ измерения показателя ослабления направленного света в газообразных и жидких средах (его варианты) и устройство (его варианты) для его осуществления»; авторское свидетельство СССС №1055973 на изобретение «Спектрофотометр»]. Недостатком этих приборов является сложность оптической схемы опорного и измерительных каналов, состоящих из большого количества разных оптических элементов, из-за чего трудно добиться их полной идентичности по коэффициенту пропускания на воздухе и в воде. Различие в пропускании трактов требует введения, как и в случае с опорным каналом в воздухе, поправочных коэффициентов, которые, в свою очередь, вносят дополнительную методическую погрешность в определение абсолютных значений показателя ослабления.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков (прототипом) является упомянутый прозрачномер [авторское свидетельство СССС №1055973 на изобретение «Спектрофотометр»], содержащий герметичный контейнер с иллюминаторами, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу лучей коллиматор, светоделительное устройство, объектив, спектроанализирующее устройство, приемник излучения, прерыватель пучков лучей, систему синхронизации и узлы опорного и измерительного трактов (каналов), расположенные в исследуемой среде. Опорный и измерительные каналы выполнены в виде двух прямоугольных отражательных призм с крышей на одном из катетов, прерыватель пучков излучения - в виде двух взаимно параллельных непрозрачных дисков с отверстиями, прерывающими попеременно пучки излучения, светоделительное устройство - в виде сдвоенного кубика Люммера. Оптические оси опорного и измерительного каналов расположены перпендикулярно оси излучателя.

Прототип имеет следующие признаки, сходные с существенными признаками заявляемого изобретения: герметичный контейнер с двумя иллюминаторами, в котором размещены источник излучения, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, приемник излучения, опорный и измерительный каналы, выведенные в исследуемую среду и содержащие две отражающие призмы, установленные напротив соответствующих иллюминаторов на заданных расстояниях от них.

Недостатками прототипа являются сложность оптической схемы, измерение показателя ослабления на одной фиксированной длине волны при зондировании водной толщи, измерения на фиксированной оптической базе, что ограничивает область использования прибора в относительно узких пределах изменения показателя ослабления. Указанные недостатки не позволяют добиться полной идентичности опорного и измерительного каналов, поэтому не могут обеспечить неизменности градуировочной зависимости при погружении прибора из воздуха в воду, добиться измерений абсолютных значений показателя ослабления с высокой точностью, выполнять измерения в различных спектральных диапазонах при зондировании водной толщи, использовать прозрачномер для измерений в средах с показателем ослабления в широком диапазоне изменений этой величины.

Задачей изобретения является создание устройства (прибора) для измерения прозрачности морской воды, совокупностью существенных признаков которого достигаются следующие новые технические свойства:

- устранение методических ошибок, связанных с изменением градуировочной зависимости, полученной в воздухе, при погружении прибора в воду, что достигается за счет усовершенствования оптической схемы, заключающегося в полной идентичности элементов опорного и измерительного каналов по коэффициенту пропускания и другим оптическим характеристикам;

- возможность выполнять измерения в широком диапазоне изменений показателя ослабления, что достигается за счет переменной оптической базы измерительного канала прибора;

- возможность проведения измерений в нескольких спектральных диапазонах при зондировании водной толщи, что достигается за счет использования в качестве источника излучения многоцветного светодиода.

Указанные новые технические свойства обеспечивают, соответственно, достижение технических результатов изобретения:

- повышение точности измерений показателя ослабления в абсолютных величинах;

- увеличение области использования прибора за счет возможности измерений в различных водных средах;

- повышение информативности измерений за счет получения спектральной характеристики показателя ослабления направленного света.

Изобретение характеризуется следующими отличительными от прототипа существенными признаками. В качестве источника излучения использован многоцветный светодиод, оптическая ось которого совпадает с оптической осью измерительного канала и перпендикулярна оптической оси опорного канала. В качестве иллюминаторов использованы два идентичных объектива-иллюминатора, представляющих собой плосковыпуклые линзы заданных размеров, а в качестве отражающих призм - две идентичные триппель-призмы, - соответственно опорного и измерительного каналов. Триппель-призма опорного канала установлена на максимально близком расстоянии от объектива-иллюминатора этого канала - для обеспечения сопоставимости ослабления света в воде и на воздухе. Триппель-призма измерительного канала установлена с возможностью ее перемещения относительно объектива-иллюминатора этого канала - для обеспечения изменения длины оптической базы этого (измерительного) канала в заданном широком диапазоне, и с возможностью ее фиксации на заданной длине оптической базы этого (измерительного) канала. Светоделительное устройство выполнено в виде тонкой частично отражающей прозрачной пластины с большим показателем преломления, которая расположена напротив объективов-иллюминаторов под углом 45° к оптическим осям опорного и измерительного каналов. Прерыватель пучков излучения выполнен в виде расположенной в пространстве между светоделительным устройством и объективами-иллюминаторами управляемой поворотной непрозрачной шторки в форме сектора тонкостенного цилиндра. Повороты шторки осуществляются поворотным соленоидом на угол 90° в плоскости, перпендикулярной осям опорного и измерительного каналов, таким образом, что происходит попеременное перекрытие этих каналов.

Многоцветный светодиод преимущественно должен быть таким, чтобы обеспечивать измерения прозрачности воды в узких спектральных участках в диапазоне от 400 до 625 нм, а также в «белом» свете, и обеспечивать минимальный угол расходимости параллельного пучка света.

В качестве приемника излучения может быть использован кремниевый фотодиод.

Светоделительная пластина может быть выполнена из сапфира.

Оптическая база измерительного канала для измерений естественных водных сред изменяется, преимущественно, от 0,05 до 0,5 м.

Сущность изобретения поясняется на конкретном примере его реализации и со ссылками на чертежи, на которых изображено: на фиг. 1 - общая схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема устройства.

Прозрачномер морской воды (фиг. 1) состоит из герметичного контейнера 1 с двумя объективами-иллюминаторами 2 и 3, представляющими собой идентичные плоско-выпуклые линзы заданных размеров, в данном случае - с конусной боковой поверхностью 20°, толщиной 15 мм, фокусным расстоянием 286 мм и входным отверстием 20 мм из плавленого кварца. Внутри контейнера 1 размещены: излучатель 4 в виде многоцветного светодиода; ограничивающая диафрагма 5; светоделительное устройство 6 в виде тонкой, в данном случае толщиной 1 мм, прозрачной частично отражающей пластины с большим показателем преломления (в данном случае n=1,755 - пластина выполнена из сапфира); управляемая поворотная шторка 7 в форме сектора тонкостенного цилиндра (в данном случае толщина стенки равна 0,5 мм); приемник 8 излучения (в данном случае - это кремниевый фотодиод); диафрагма 9 приемника 8 излучения.

Узлы опорного и измерительного каналов прибора (которые на фиг. 2 обозначены, соответственно, как ОК и ИК) расположены относительно друг друга под углом 90° и идентичны, потому что состоят, соответственно, из идентичных объективов-иллюминаторов 3 и 2 и идентичных отражающих триппель-призм 11 и 10 (в данном случае триппель-призмы 11 и 10 выполнены из плавленого кварца с входным окном диаметром 30 мм и расходимостью отраженного излучения не более 5 минут), выведенных в исследуемую среду (морскую воду). При этом оптическая ось измерительного канала ИК расположена напротив иллюминатора 2 и соосна оптической оси излучателя 4, а оптическая ось опорного канала ОК расположена напротив иллюминатора 3 и под углом 90° к оптической оси излучателя 4.

Триппель-призма 11 (фиг. 2) опорного канала ОК установлена относительно объектива-иллюминатора 3 этого канала на максимально близком расстоянии от него - на длине L_o оптической базы ОК, которая максимально близка к нулю, - чтобы при прохождении лучом этого расстояния L_o ослабление света в исследуемой воде было бы сравнимым (сопоставимым) с ослаблением света на воздухе.

Триппель-призма 10 измерительного канала выполнена подвижной относительно объектива-иллюминатора 2 этого канала (на фиг. 1 это показано горизонтальной двусторонней стрелкой), что позволяет задавать необходимую длину оптической базы L_u измерительного канала ИК (фиг. 2) в заданном широком диапазоне - до значения максимальной L_{u max} оптической базы прибора (в данном случае диапазон изменения длины L_u составляет от 0,05 до 0,5 м). Это достигается (фиг. 1) за счет крепления триппель-призмы 10 на соединительных стержнях 12: триппель-призма 10 механически перемещается относительно объектива-иллюминатора 2 вдоль оптической оси измерительного канала ИК, и по достижении заданного значения L_u фиксируется в этом положении. Так как триппель-призма 10 отражает свет строго в обратном направлении, незначительные ее отклонения от оси измерительного канала, вследствие ее перемещения, не приводят к разъюстировке прибора.

Устройство работает следующим образом (фиг. 2).

Пучок света от светодиода 4, ограниченный выходной диафрагмой 5, разделяется тонкой прозрачной частично отражающей светоделительной пластиной 6 по двум каналам - измерительному ИК и опорному ОК. Прошедший через светоделительную пластину 6 измерительный свет коллимируется объективом-иллюминатором 2 и в виде параллельного пучка выходит в измеряемую среду. Далее свет проходит в измеряемой среде расстояние L_u до триппель-призмы 10 и, отразившись от нее, строго по тому же пути возвращается назад, а затем через тот же объектив-иллюминатор 2 входит внутрь герметичного контейнера 1.

Диаметр выходной ограничивающей диафрагмы 5 подбирается из такого расчета, чтобы диаметр параллельного пучка при выходе из герметичного контейнера 1 был бы меньше диаметра объектива-иллюминатора 2 на величину чуть большей расходимости этого пучка на длине максимальной оптической базы прибора L_{u max}. При указанных выше размерах входного окна и фокусного расстояния объектива-иллюминатора 2 и расходимостью создаваемого им параллельного пучка в 30 минут, диаметр выходной диафрагмы должен быть менее 16 мм - в данном случае 15 мм. Соблюдение этого условия очень важно для обеспечения идентичности измерительного ИК и опорного ОК каналов, при переходе прибора из воздуха в воду, чтобы измерения показателя ослабления направленного излучения в воздухе и морской воде происходили в одинаковых условиях и не требовали введения поправочных коэффициентов в градуировочные характеристики, полученные на воздухе.

Ослабленный в морской воде на длине оптической базы свет после прохождения объектива-иллюминатора 2 отражается от светоделительной пластины 6 и направляется в центр измерительной диафрагмы 9, задающей угол поля зрения кремниевого фотодиода 8.

Опорный луч формируется из той части света от светодиода 4, которая, после прохождения выходной диафрагмы 5, отражается светоделительной пластиной 6 в направлении, перпендикулярном оси излучателя 4 (светодиода). Опорный луч коллимируется объективом-иллюминатором 3 и в виде параллельного пучка попадает в опорный канал ОК. Опорный канал ОК идентичен измерительному ИК, но со значительно меньшей длиной L_oпрохождения луча в среде, при которой ослабление света в воде было бы сравнимым с ослаблением на воздухе, т.е. максимально близкой к нулю.

Перед объективами-иллюминаторами 2 и 3 на пути, соответственно, измерительного и опорного световых лучей помещен оптический прерыватель в виде подвижной шторки 7, совершающий повороты на 90° относительно оси, перпендикулярной оптическим осям ОК и ИК (что на фиг. 1 и 2 обозначено двусторонними вогнутыми стрелками), в результате чего эти лучи попеременно попадают на светочувствительную площадку кремниевого фотодиода 8, реализуя, таким образом, схему двухлучевого фотометра с одним фотоприемником.

При работе прибора на выходе фотодиода 8 формируется выходной сигнал в виде непрерывной последовательности импульсов напряжения, пропорциональных интенсивностям света, соответственно, в опорном канале ОК и в каждой спектральной полосе измерительного канала ИК. Далее сигналы усиливаются и через аналого-цифровой преобразователь поступают на соответствующие входы многоканального интерфейса персонального компьютера. На соответствующий вход многоканального интерфейса поступают и данные о глубине погружения прозрачномера с прецизионного датчика давления на основе сапфира. Дальнейшая обработка сигналов до получения физических величин осуществляется программным путем. Программы составлены таким образом, что позволяют производить аналого-цифровые преобразования с сигналом почти одновременно с первичной обработкой данных и вычислением текущих значений показателя ослабления.

Ввиду идентичности каналов ОК и ИК, измерения фактически выполняются на двух оптических базах, поэтому получение абсолютных значений показателей ослабления может быть легко получено без использования аттестованных светофильтров с заданной оптической плотностью следующим образом. Коэффициенты пропускания при измерениях на двух оптических базах L_u и L₀, соответственно, измерительного ИК и опорного ОК каналов, будут иметь вид:

где Ф_T(λ, L_u) и Ф_Т(λ, L₀) - потоки света, ослабленные при прохождении через слой воды толщиной L_u и L₀ измерительного ИК и опорного ОК каналов соответственно;

Ф₀(λ) - поток света, вошедший в воду;

C_Tu, C_To - калибровочные коэффициенты, учитывающие чувствительность фотодиода и потери на оптических деталях измерительного ИК и опорного ОК каналов;

U_u (λ, L_u) и U_o (λ, L_o) - выходные сигналы измерительного ИК и опорного ОК каналов;

U_dark(λ) - сигнал фоновой засветки.

Вследствие того, что оба канала идентичны и выведены в воду,C_T=C_Tu=C_To.

Поделив выражение (1) на (2), в соответствии с законом Бугера получим простое выражение для расчета показателя ослабления направленного света в зависимости от выходных сигналов, измеренных на двух базах:

Данный результат интеллектуальной деятельности создан в рамках темы государственного задания №FNNN-2021-0003 «Развитие методов оперативной океанологии на основе междисциплинарных исследований процессов формирования и эволюции морской среды и математического моделирования с привлечением данных дистанционных и контактных измерений» (шифр «Оперативная океанология»).

Claims

1. Прозрачномер морской воды, включающий герметичный контейнер с двумя иллюминаторами, в котором размещены источник излучения, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, приемник излучения и выведенные в исследуемую среду две отражающие призмы, установленные напротив соответствующих иллюминаторов на заданных расстояниях от них отличающийся тем, что в качестве источника излучения использован многоцветный светодиод, оптическая ось которого совпадает с оптической осью измерительного канала и перпендикулярна оптической оси опорного канала, в качестве иллюминаторов использованы идентичные объективы-иллюминаторы, представляющие собой плосковыпуклые линзы заданных размеров, а в качестве отражающих призм - идентичные триппель-призмы, триппель-призма опорного канала установлена на максимально близком расстоянии от соответствующего объектива-иллюминатора для обеспечения сопоставимости ослабления света в воде и на воздухе, а триппель-призма измерительного канала установлена с возможностью ее перемещения относительно соответствующего объектива-иллюминатора для обеспечения изменения длины оптической базы этого канала в заданном широком диапазоне, и с возможностью ее фиксации на заданной длине оптической базы этого канала, светоделительное устройство выполнено в виде тонкой частично отражающей прозрачной пластины с большим показателем преломления, расположенной напротив объективов-иллюминаторов под углом 45° к оптическим осям опорного и измерительного каналов, прерыватель пучков излучения выполнен в виде расположенной в пространстве между светоделительным устройством и объективами-иллюминаторами управляемой поворотной непрозрачной шторки в форме сектора тонкостенного цилиндра, ось вращения которой перпендикулярна оптическим осям опорного и измерительного каналов, обеспечивающей попеременное перекрытие этих каналов.

2. Прозрачномер по п. 1, отличающийся тем, что многоцветный светодиод обеспечивает измерения прозрачности воды в узких спектральных участках в диапазоне 400-625 нм, а также в «белом» свете, и обеспечивает минимальный угол расходимости параллельного пучка света.

3. Прозрачномер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве приемника излучения использован кремниевый фотодиод.

4. Прозрачномер по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что светоделительная пластина выполнена из сапфира.

5. Прозрачномер по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что диапазон изменения длины оптической базы измерительного канала составляет 0,05-0,5 м.