Патент на изобретение №2297007

(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ МОРСКОГО ТЕЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров дрейфа морских судов под действием морских течений. Существо изобретения заключается в том, что на подложке, снабженной флюгаркой и цилиндрическим шарниром, а также пластиной с боковой поверхностью, выполненной по закону спирали Архимеда, располагают волоконные катушки волоконно-оптического интерферометра (ВОИ), снабженного фазосдвигающим устройством. Предметная волоконная катушка ВОИ располагается на носовой части подложки, а опорная волоконная катушка – на боковой поверхности пластины, напротив которой закрепляют импульсный ультразвуковой излучатель (ИУИ). Угол поворота флюгарки под действием морского течения измеряется времяпролетным способом с помощью ИУИ и ВОИ. Скорость потока измеряется с помощью предметной волоконной катушки ВОИ. Электронная схема позволяет выделить низкочастотный гидрофизический сигнал и высокочастотный гидроакустический сигнал на выходе ВОИ и определить скос потока относительно киля судна и величину его дрейфа под действием морского течения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости и направления морских течений и определения параметров дрейфа морских судов.

Известен измеритель скорости и направления морского течения (ИСН), содержащий флюгарку и измеритель скорости, установленный на флюгере /Заявка ФРГ №3710558, кл. G 01 P 5/00, 1988/.

Недостатком аналога является отсутствие оптического сигнала на выходе измерителя.

Известен ИСН, содержащий подложку, установленную на цилиндрическом шарнире, снабженную флюгаркой, волоконно-оптический интерферометр (ВОИ) с источником когерентного света, фотоприемником, фазосдвигающим устройством и двумя волоконными катушками, блок питания, усилитель фототока, фильтр низких частот (ФНЧ) и управляемый генератор, причем обе волоконные катушки расположены в исследуемой среде, при этом предметная волоконная катушка закреплена на носовой части подложки, а фазосдвигающее устройство расположено в одной из волоконных катушек и подключено к выходу управляемого генератора, а выход фотоприемника через усилитель фототока соединен со входом ФНЧ /Патент РФ №2060505, кл. G 01 P 5/14.1996/.

Данный ИСН принят за прототип. Недостатком прототипа является отсутствие у него механизма определения угла поворота флюгарки по отношению к килю судна, на котором установлен ИСН, что не позволяет определить угол, под которым происходит дрейф судна под действием морского течения.

Техническим результатом, появляющимся от внедрения изобретения, является получение возможности измерения угла между направлением морского течения и килем судна, на котором установлен измеритель.

Данный технический результат достигают за счет того, что известный ИСН, содержащий подложку, установленную на цилиндрическом шарнире, снабженную флюгаркой, ВОИ с источником когерентного света, фотоприемником, фазосдвигающим устройством и двумя волоконными катушками, блок питания, усилитель фототока, ФНЧ и управляемый генератор, причем обе волоконные катушки расположены в исследуемой среде, при этом предметная волоконная катушка закреплена на носовой части подложки, а фазосдвигающее устройство расположено в одной из волоконных катушек и подключено к выходу управляемого генератора, а выход фотоприемника через усилитель фототока соединен со входом ФНЧ, дополнительно содержит фильтр высоких частот (ФВЧ), периодимер и компьютер, а также пластину, закрепленную на оси цилиндрического шарнира подложки, причем радиус пластины изменяется по закону спирали Архимеда, а на боковой поверхности пластины закреплена опорная волоконная катушка интерферометра, напротив которой установлен излучатель ультразвуковых импульсов (ИУИ), при этом первый вход периодимера соединен с синхронизирующим выходом ИУИ, а второй через ФВЧ соединен с выходом усилителя фототока, а выход периодимера подключен к первому входу компьютера, соединенного вторым входом с выходом ФНЧ, а выходом – с управляемым входом управляемого генератора.

Пластина, на боковой поверхности которой закреплена опорная волоконная катушка ВОИ, расположена в корпусе, сообщающемся с исследуемой средой.

ИСН может дополнительно содержать преобразователь скорости звука, расположенный в морской среде, выход которого подключен к третьему входу компьютера.

ИСН может дополнительно содержать дистанционно управляемый стопор флюгарки, соединенный с выключателем блока питания.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема измерителя, а на фиг.2 – его оптико-электронная схема.

ИСМ содержит подложку 1, установленную на цилиндрическом шарнире 2, снабженную флюгаркой 3. На оси 4 цилиндрического шарнира 2 подложки 1 закреплена пластина 5. Радиус пластины 5 изменяется по закону спирали Архимеда.

ИСМ также содержит ВОИ, включающий в себя источник 6 когерентного света (фиг.2), фотоприемник 7 и две волоконные катушки 8, 9, в одной из которых установлено фазосдвигающее устройство 10.

Предметная волоконная катушка 8 закреплена на носовой части подложки 1, выполненной, например, в виде полусферы. Опорная волоконная катушка 9 закреплена на боковой поверхности пластины 5, которая может быть расположена в корпусе 11, сообщающемся с исследуемой морской средой, например, через отверстие 12.

Напротив опорной волоконной катушки 9 установлен ИУИ 13 (фиг.1, 2), закрепленный, например, на стенке корпуса 11.

Измеритель может также включать в себя стопор 14 флюгарки 3, управляемый дистанционно с носителя (на чертеже не показан). Стопор 14 установлен между корпусом 11 и пластиной 5 и соединен с выключателем блока питания ИСН (на чертеже не показан).

В корпусе 11 ИСН может быть расположен преобразователь скорости звука в морской среде (на чертеже не показан).

Электронная схема измерителя включает в себя (фиг.2) усилитель 15 фототока, периодимер 16, управляемый генератор 17 фазосдвигающего устройства 10, блок 18 питания ИУИ 13, компьютер 19, а также ФНЧ 20 и ФВЧ 21.

Выход усилителя 15 фототока параллельно подключен к ФНЧ 20 и ФВЧ 21. Выход ФВЧ 21 соединен со вторым (останавливающим) входом периодимера 16, первый (запускающий) вход которого подключен к синхронизирующему выходу блока 18 питания ИУИ 13, а выход – к первому входу компьютера 19. Второй вход компьютера 19 соединен с выходом ФНЧ 20, а выход – с управляемым входом управляемого генератора 17 фазосдвигающего устройства 10.

Выход преобразователя скорости звука подключен к третьему входу компьютера 19.

На входах и выходе компьютера 19 присутствуют необходимые для его работы согласующие схемы. Они непосредственно входят в состав компьютера, поэтому на фиг.2 не представлены.

Все электронные блоки ИСН расположены на носителе, например, надводном судне (на чертеже не показано). Источник 6 когерентного света и фотоприемник 7 также расположены на судне и связаны с волоконными катушками 8, 9 волоконно-оптической линией связи. Блок 18 питания ИУИ 13 конструктивно входит в общий блок питания измерителя, расположенный на судне.

Измеритель крепится к днищу судна, например, к его килю (элементы крепления не показаны).

Пластина 5 ориентирована по отношению к ИУИ 13 таким образом, чтобы при движении судна в отсутствии морского течения, когда подложка 1 с флюгаркой 3 ориентированы вдоль киля судна, высокочастотный выходной сигнал с измерителя был минимален.

Для этого начало спирали Архимеда частично перекрывает ее конец, как показано на фиг.1, справа.

Измеритель работает следующим образом.

В момент дрейфа судна на стопор 14 направляется с пульта управления (на чертеже не показан) командный импульс, включающий блок питания ИСН и высвобождающий пластину 5 из зацепления со стопором 14.

При этом флюгарка 3 повернет носовую часть подложки 1 навстречу потоку. Одновременно повернется на тот же угол, что и флюгарка 3, пластина 5. ИУИ 13, выполненный с лучевой характеристикой направленности, излучает к опорной волоконной катушке 9 ультразвуковой импульс 22 (фиг.1, 2). При этом одновременно запускается отсчет тактовых импульсов периодимером 16.

Ультразвуковой импульс 22, пройдя траверзное расстояние между ИУИ 13 и опорной волоконной катушкой 9, вызывает появление на выходе фотоприемника 7 ВОИ импульса, который после усиления в усилителе 15 фототока проходит через ФВЧ 21 и попадает на второй вход периодимера 16, вызывая остановку поступления тактовых импульсов на счетчик периодимера 16.

Выходной сигнал периодимера 16, пропорциональный времени прохода ультразвуковым импульсом 22 траверзного расстояния между ИУИ 13 и опорной волоконной катушкой 9 (т.е. углу поворота флюгарки 3 относительно киля судна), поступает на первый вход компьютера 19, на дисплее которого высвечивается угол поворота флюгарки 3 относительно киля судна, т.е. угол скоса потока относительно судна.

Сигнал, пропорциональный скоростному напору (а значит и скорости U) потока, поступает на предметную волоконную катушку 8.

Рабочую точку на выходной кривой ВОИ, задаваемую начальной разностью фаз интерферирующих лучей, предварительно устанавливают с помощью фазосдвигающего устройства 10 и управляемого генератора 17 в зоне максимальной крутизны и линейной выходной кривой интерферометра. Воздействие давления скоростного напора потока жидкости на предметную волоконную катушку 8 смещает рабочую точку в сторону увеличения разности фаз. При этом на выходе фотоприемника 7 появляется сигнал фототока, пропорциональный воздействующему входному сигналу. После усиления в усилителе 15 фототока сигнал пропускается ФНЧ 20 и поступает на компьютер 19. На мониторе компьютера 19 отображается информация о величине скорости U потока жидкости. Одновременно с выхода компьютера 19 поступает командный сигнал на управляемый вход управляемого генератора 17, который подает на фазосдвигающее устройство 10 ВОИ напряжение, смещающее рабочую точку интерферометра в первоначальное положение.

Количество витков в волоконных катушках 8, 9 выбирают такими, чтобы при достаточной чувствительности ВОИ квазилинейный участок его преобразования не перекрывался входными сигналами по давлению скоростного напора потока и по звуковому давлению гидроакустического сигнала.

Поскольку сигналы гидрофизической и гидроакустической природы различаются по частоте на несколько порядков, то ФВЧ 21 и ФНЧ 20 без труда разделяют их и направляют по различным каналам.

Если скорость звука в морской среде изменила свою величину значительно, например, под действием температуры, то преобразователь скорости звука подает на компьютер поправочный тарировочный сигнал для уточнения угла скоса потока.

Таким образом, в отличие от прототипа данный измеритель позволяет измерить угол между килем судна и направлением его дрейфа под действием морского течения.

Формула изобретения

1. Измеритель скорости и направления морского течения, содержащий подложку, установленную на цилиндрическом шарнире, снабженную флюгаркой, волоконно-оптический интерферометр с источником когерентного света, фотоприемником, фазосдвигающим устройством и двумя волоконными катушками, блок питания, усилитель фототока, фильтр низких частот и управляемый генератор, причем обе волоконные катушки расположены в исследуемой среде, при этом предметная волоконная катушка закреплена на носовой части подложки, а фазосдвигающее устройство расположено в одной из волоконных катушек и подключено к выходу управляемого генератора, а выход фотоприемника через усилитель фототока соединен со входом фильтра низких частот, отличающийся тем, что дополнительно содержит фильтр высоких частот, периодимер и компьютер, а также пластину, закрепленную на оси цилиндрического шарнира подложки, причем радиус пластины изменяется по закону спирали Архимеда, а на боковой поверхности пластины закреплена опорная волоконная катушка интерферометра, напротив которой установлен излучатель ультразвуковых импульсов, при этом первый вход периодимера соединен с синхронизирующим выходом излучателя ультразвуковых импульсов, а второй через фильтр высоких частот соединен с выходом усилителя фототока, а выход периодимера подключен к первому входу компьютера, соединенного вторым входом с выходом фильтра низких частот, а выходом – с управляемым входом управляемого генератора.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что пластина, на боковой поверхности которой закреплена опорная волоконная катушка интерферометра, расположена в корпусе, сообщающимся с исследуемой средой.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит преобразователь скорости звука, расположенный в морской среде, выход которого подключен к третьему входу компьютера.

4. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит дистанционно управляемый стопор флюгарки, соединенный с выключателем блока питания.

РИСУНКИ