Оптический измеритель плотности
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована, для измерения плотности газов, жидкостей и сверхкритических флюидов, в том числе, например, в океанологии для измерения плотности морской воды. Оптический измеритель плотности состоит из генератора электрического сигнала, выход которого соединен со стабилизированным лазерным излучателем на основе полупроводникового лазера, оптически прозрачной измерительной ячейки, приемника отраженного излучения и устройства обработки сигналов. Лазерный излучатель и приемник отраженного излучения жестко закреплены на измерительной ячейке, а выход фотодиода полупроводникового лазера излучателя дополнительно соединен с устройством обработки сигналов. Предложенная конструкция измерителя позволила исключить детали, подверженные воздействию вибрации, что привело к повышению точности измерений и упрощению устройства.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения плотности газов, жидкостей и сверхкритических флюидов, в том числе, например, в океанологии для измерения плотности морской воды.
В настоящее время проблема оперативного измерения плотности жидких и газообразных сред остается не решенной. В то же время, плотность является одним из фундаментальных параметров этих веществ. В океанологии, например, особенности распределения плотности морской воды по глубине во многом определяют условия для возникновения конвективной неустойчивости, поля течений, характеристики внутренних волн, тонкую структуру гидрофизических и биологических полей.
Известно устройство для измерения плотности среды - ареометр, которое широко используются в морской аквариумистике. Ареометры требуют для своей работы наличия поверхности раздела жидкость-газ, не приспособлены для работы в области высоких давлений (больших 0,5 МПа), обладают низкой точностью и разрешающей способностью измерений. Все вышеперечисленные недостатки приводят к тому, что ареометры не используются в океанологии для измерения плотности морской воды.
Известны устройства для измерения плотности сред, основанные на гамма-абсорбционном методе, в котором измерение плотности среды производится путем измерения величины интенсивности гамма-излучения при прохождении через среду между источником излучения и приемником. Например, плотномеры серии ПМК-2 предназначены для непрерывного измерения плотности сред в пределах от 0 до 3 г/см3 на трубопроводах или в лотках без контакта с ними, а плотномеры серии ПМИ-2 - путем погружения в измеряемую среду приемника (http://www.elektronzv.narod.ru/). Основными недостатками известного устройства являются: большое значение времени одного измерения (не менее 10 с) и то, что оно не может измерять плотность среды в точке, а производит измерение интегральной плотности между источником излучения и приемником. Эти недостатки приводят к тому, что данные устройства не используются в океанологии для измерения плотности морской воды.
Известны устройства, широко применяемые в океанологии, для определения плотности морской воды, основанные на измерении электропроводности, температуры и давления (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; океанологические зонды SeaBird производства SeaBird Electronic (США), п.РФ 
2320975). Плотность морской воды определяется путем вычисления по известным формулам (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.).
Недостатком данных устройств являются относительно большие размеры датчика электропроводности и то, что датчики температуры и электропроводности имеют различную инерционность и расположены на некотором расстоянии друг от друга. Это приводит к ошибкам в измерении электропроводности из-за эффекта пограничного слоя при движении устройства в неоднородной жидкости и к низкой разрешающей способности измерений. Кроме того, общим существенным недостатком всех устройств измерения плотности, основанных на измерении электропроводности, является зависимость от типа растворенных в воде солей из-за различной подвижности ионов и то, что данные устройства подвержены воздействию различных электрических помех.
Большинства из этих недостатков лишены оптические методы измерения плотности среды, основанные на измерении показателя преломления среды.
Известны устройства измерения плотности среды по измерению показателя преломления среды с помощью погружаемого в измеряемую среду нерегулярного участка оптического волокна (авт.св. СССР 1280502) или изогнутого участка волоконного световода (п. РФ 2038580, п. США 5362971). Указанные устройства состоят из источника оптического излучения, оптически соединенного с измерительным оптическим волокном, изогнутая или нерегулярная часть которого помещена в измеряемую среду, а выход оптически соединен с приемником излучения, выход которого соединен с устройством обработки сигналов. О величине плотности среды судят по уровню оптического сигнала на выходе измерительного оптического волокна (после прохождения им нерегулярного или изогнутого участка). Уровень выходного сигнала с измерительного оптического волокна зависит от величины ослабления оптического сигнала на нерегулярном или изогнутом участке измерительного оптического волокна, который зависит от искомой величины плотности среды. При приближении показателя преломления измеряемой среды к
значению показателя преломления материала измерительного оптического волокна уровень выходного сигнала уменьшается из-за того, что большая часть оптического сигнала выходит из световода в измеряемую среду, и, наоборот. Существенным недостатком указанных устройств являются ограниченный диапазон измерений плотности среды, связанный с конкретной величиной нерегулярности или значением радиуса кривизны изгиба световода и то, что устройства производят измерение интегральной плотности среды вдоль всего нерегулярного или изогнутого участка измерительного оптического волокна, помещенного в измеряемую среду, что приводит к низкой разрешающей способности измерений. Кроме того, использование оптических волокон приводит к тому, что устройство становится чувствительным к механическим вибрациям и наклонам, которые при зондировании с борта судна могут быть весьма существенны.
В качестве прототипа выбран волоконно-оптический измеритель плотности (Авдеев М.В., Баграташвили В.Н., Джи Ке, Коновалов А.Н., Поляков М., Попов В.К., Соколова М., Цыпина С.И. Оптоволоконная денситометрия сверхкритических сред // Электронный журнал «Исследовано в России». 2003. Т. 200. С.2369-2378; http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/200.pdf), принцип работы которого основан на измерении величины сигнала, отраженного от свободного торца измерительного волокна, помещенного в измеряемую среду. Величина данного сигнала определяется показателем преломления измеряемой среды, связанным с ее плотностью соотношением, хорошо известным специалистам под названием «формула Лоренц-Лоренца». Волоконно-оптический измеритель плотности состоит из генератора электрического сигнала, соединенного со стабилизированным лазерным излучателем на основе полупроводникового лазера, канала компенсации нестабильности излучения, включающего оптический разветвитель Х-типа, соединительные оптические волокна и приемник опорного излучения, измерительной ячейки, выполненной в виде измерительного оптического волокна, и устройства обработки сигнала.
Волоконно-оптический измеритель плотности работает следующим образом. Электрический сигнал с выхода генератора электрического сигнала поступает на стабилизированный лазерный излучатель, излучение от которого попадает через соединительное оптическое волокно, разветвитель Х-типа и измерительное оптическое волокно на свободный торец измерительного волокна, находящийся в измеряемой среде, а также через соединительное оптическое волокно, разветвитель и еще одно соединительное оптическое волокно на приемник опорного излучения. Отраженный от
свободного торца измерительного волокна сигнал через измерительное оптическое волокно и выход разветвителя попадает через соединительное оптическое волокно на приемник отраженного излучения. Сигналы с выходов приемников отраженного и опорного излучений поступают на устройство обработки сигналов, которое осуществляет деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения и вычисление по полученному результату плотности измеряемой среды с учетом предварительной калибровки. Величина отраженного от торца измерительного волокна сигнала чувствительна к показателю преломления среды, то есть к ее плотности. Генератор осуществляет модуляцию по амплитуде излученного сигнала, что позволяет избежать влияния фоновых засветок и повышает соотношение сигнал/шум. Осуществление нормировки - деление величины амплитуды отраженного излучения на величину амплитуды сигнала опорного излучения, позволяет избежать влияния нестабильности амплитуды излучения на выходе источника излучения. Учет калибровки позволяет получить на выходе устройства обработки сигналов величину, соответствующую плотности среды в точке измерения. Устройство обработки выполнено на базе персонального компьютера. Данное устройство позволяет измерять плотность жидких, газообразных и сверхкритических сред с пространственной разрешающей способностью от 9 до 100 мкм в зависимости от диаметра сердцевины измерительного оптического волокна.
Основным недостатком известного устройства является то, что из-за использования оптических волокон устройство чувствительно к механическим вибрациям и наклонам, которые, например, при океанологических измерениях и зондировании с борта судна могут быть весьма существенны. Указанный недостаток приводит к ухудшению точности измерений.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения плотности среды.
Поставленная задача решается оптическим измерителем плотности, состоящим из генератора электрического сигнала, выход которого соединен со стабилизированным лазерным излучателем на основе полупроводникового лазера, канала компенсации нестабильности излучения, приемника отраженного излучения, оптически прозрачной измерительной ячейки и устройства обработки сигналов, при этом лазерный излучатель и приемник отраженного излучения жестко закреплены на измерительной ячейке, а канал компенсации нестабильности излучения реализован
путем дополнительного соединения выхода фотодиода полупроводникового лазера с устройством обработки сигнала.
На фиг.1 представлена блок схема заявляемого устройства. На фиг.2 - зависимость измеренной величины на выходе устройства обработки сигналов от плотности среды.
Оптический измеритель плотности состоит из генератора (1) электрического сигнала, стабилизированного лазерного излучателя (2) с полупроводниковым лазером (на фиг.1 не показан), устройства (3) обработки сигналов, приемника (4) отраженного излучения, оптически прозрачной измерительной ячейки (5).
Достижение заявленного технического результата, а именно, повышение точности измерения плотности среды происходит за счет того, что заявляемое устройство в отличие от прототипа не содержит оптических волокон и разветвителя. Технически это достигается тем, что стабилизированный лазерный излучатель (2) и приемник (4) отраженного излучения жестко закреплены на оптически прозрачной измерительной ячейке (5), так, что излучение от лазерного излучателя (2) свободно проходит в измерительную ячейку (5), отражается от ее свободного торца и свободно проходит в приемник (4) отраженного излучения, а в качестве опорного сигнала канала компенсации нестабильности лазерного излучения используется сигнал с выхода фотодиода полупроводникового лазера.
Принцип работы оптического измерителя плотности основан на измерении величины сигнала, отраженного от свободного торца оптически прозрачной измерительной ячейки, помещенной в измеряемую среду. Величина данного сигнала определяется показателем преломления измеряемой среды, связанной с ее плотностью «формулой Лоренц-Лоренца».
Оптический измеритель плотности работает следующим образом. Сигнал от генератора (1) электрического сигнала поступает на стабилизированный лазерный излучатель (2), излучение от которого через оптически прозрачную измерительную ячейку (5) поступает на ее свободный торец, находящийся в измеряемой среде. Отраженный от свободного торца измерительной ячейки (5) сигнал попадает на приемник (4) отраженного излучения. Сигналы с выходов приемника (4) отраженного излучения и фотодиода полупроводникового лазера излучателя (2) попадают на устройство (3) обработки сигналов. Устройство (3) обработки сигналов осуществляет деление величины амплитуды сигнала с выхода приемника (4) отраженного излучения на величину амплитуды опорного сигнала с выхода фотодиода полупроводникового
лазера излучателя (2) и по полученному результату производит вычисление плотности измеряемой среды в точке установки свободного торца оптически прозрачной измерительной ячейки (5) с учетом калибровки.
Величина отраженного от торца оптически прозрачной измерительной ячейки (5) сигнала чувствительна к показателю преломления среды, то есть к ее плотности. Осуществление нормировки - деление величины амплитуды с выхода приемника (4) отраженного излучения на величину амплитуды сигнала с выхода фотодиода полупроводникового лазера излучателя (2) - позволяет избежать влияния нестабильности амплитуды излучения на выходе лазерного излучателя (2). Учет калибровки позволяет получить на выходе устройства (3) обработки сигналов величину, соответствующую плотности среды в точке измерения. Устройство обработки может быть выполнено как на базе персонального компьютера, так и микропроцессора.
В отличие от прототипа, заявляемое устройство не содержит оптических волокон, разветвителя и приемника опорного сигнала, что приводит к уменьшению влияния механических вибраций и наклонов и, соответственно, повышению точности измерений плотности.
Конкретное аппаратурное оформление заявляемого устройства, а именно, генератор электрического сигнала, стабилизированный лазерный излучатель на основе полупроводникового лазера, устройство обработки сигналов, приемник отраженного излучения, оптически прозрачная измерительная ячейка являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия, характеристик исследуемой среды. Например, для измерения плотности морской воды в качестве источника излучения может быть применен стабилизированный лазерный излучатель на базе полупроводникового лазера RLT1300-5G с длиной волны 1,3 мкм, в качестве приемника отраженного излучения - любой стандартный фотоприемник, работающий в используемом диапазоне длин волн, например на основе InGaAs, а устройство обработки сигналов может быть выполнено на базе персонального компьютера или на микропроцессоре. В качестве оптически прозрачной измерительной ячейки может использоваться пластина или стержень, например, из кварцевого стекла, размер которых определяется размерами устанавливаемых датчиков, прочностными характеристиками используемого материала и величиной максимального рабочего давления (максимальной глубиной зондирования). Крепление датчиков можно осуществить любыми приемлемыми способами, например, с помощью оптического клея.
Авторами был создан и испытан в лабораторных условиях вариант заявляемого оптического измерителя плотности, схема которого приведена на фиг.1. В качестве источника излучения использовался стабилизированный полупроводниковый лазерный излучатель базе полупроводникового лазера RLT1300-5G с длиной волны 1,3 мкм и мощностью 5 мВт. Оптически прозрачная измерительная ячейка выполнена в виде пластины из кварцевого стекла диаметром 12 мм и толщиной 10 мм. Лазерный излучатель и приемник отраженного излучения были закреплены на рабочем торце оптически прозрачной измерительной пластины, так, что излучение от излучателя свободно проходило в измерительную пластину, отражалось от ее свободного торца и поступало в приемник. Устройство обработки сигналов выполнено на базе персонального компьютера «Pentium 4».
Эксперимент по проверке оптического измерителя плотности был проведен при комнатной температуре 22°С. В качестве измеряемой среды использовался водный раствор поваренной соли с соленостью от 0 до 40 промилле, что соответствовало изменению плотности от 0,99 до 1,03 г/см3. На фиг.2 представлен график зависимости измеренной величины на выходе устройства обработки сигналов от плотности измеряемой среды. Таким образом, созданное устройство, которое производит измерение плотности среды, не содержит деталей, подверженных воздействию вибрации, что позволило достичь заявленного технического результата, а именно, повысить точность измерений плотности.
1. Оптический измеритель плотности, состоящий из генератора электрического сигнала, соединенного со стабилизированным лазерным излучателем на основе полупроводникового лазера, канала компенсации нестабильности излучения, оптически прозрачной измерительной ячейки, приемника отраженного излучения и устройства обработки сигналов, отличающийся тем, что стабилизированный лазерный излучатель и приемник отраженного излучения жестко закреплены на оптически прозрачной измерительной ячейке, а канал компенсации нестабильности излучения реализован путем дополнительного соединения выхода фотодиода полупроводникового лазера излучателя с устройством обработки сигналов.
2. Оптический измеритель плотности по п.1, отличающийся тем, что оптически прозрачная измерительная ячейка выполнена в виде пластины или стержня.
