PRESSURE FLUCTUATION METER

ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ

Научная статья

Яковенко С.В.^1, *, Будрин C.С.², Швец В.А.³

¹ ORCID: 0000-0003-3784-9449,

¹ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский Океанологический институт им. В.И. Ильичева;

² ORCID: 0000-0001-7462-9459,

² Дальневосточного отделения Российской академии наук;

³ ORCID: 0000-0002-4752-6865,

³ Школа естественных наук Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет»

* Корреспондирующий автор (ser_mail[at]poi.dvo.ru)

Аннотация

Описан погружной измеритель флуктуаций давления с возможностью автономной работы. Применение современных методов интерферометрических измерений, оптимизация конструкции прибора позволили получить высокую точность измерения колебаний давления в широком диапазоне частот. Наличие датчиков снаружи и внутри прибора позволяет проводить коррекцию графиков записи вариаций давления в зависимости от изменения температуры интерферометра и забортной воды. Измеритель может использоваться в вариантах с кабельным либо автономным питанием. Для обеспечения автономной работы разработан подключаемый к прибору контейнер, снабженный элементами питания, системами сбора и накопления информации.

Ключевые слова: измеритель флуктуаций давления, автономный интерферометр, подводная измерительная система, гидросфера, мониторинг гидродинамических процессов.

PRESSURE FLUCTUATION METER

Research article

Yakovenko S.V.^1, *, Budrin S.S.², Shvets V.A.³

¹ ORCID: 0000-0003-3784-9449,

¹ Federal State Budgetary Institution of Science, Pacific Oceanological Institute named after V.I. Ilyichev;

²ORCID: 0000-0001-7462-9459,

² Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences;

³ ORCID: 0000-0002-4752-6865,

² School of Natural Sciences of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education "Far Eastern Federal University"

* Corresponding author (ser_mail[at]poi.dvo.ru)

Abstract

An immersion pressure fluctuation meter with autonomous operation is described in the paper. The use of modern methods of interferometric measurements, optimization of the device design made it possible to obtain a high accuracy of measuring pressure fluctuations in a wide frequency range. The presence of sensors outside and inside the device allows for the correction of graphs for recording pressure variations depending on changes in the temperature of the interferometer and outboard water. The meter can be used in versions with cable or autonomous power. In order to provide autonomous work, a container connected to the device, supplied with batteries, systems for collecting and accumulating information, has been developed.

Keywords: pressure fluctuation meter, autonomous interferometer, underwater measuring system, hydrosphere, monitoring of hydrodynamic processes.

При изучении различных гидрофизических процессов существенное значение имеют технические характеристики установок, применяемых для изучения природы их возникновения и развития. Стремление увеличить чувствительность, расширить рабочий частотный диапазон привело к тому, что интерферометры, ранее не использовавшиеся в подводных приборах из-за громоздкости и сложностей эксплуатации, появились в этой области измерительной техники. Современные достижения по созданию компактных моделей частотно-стабилизированных лазеров, электроники, трехмерного моделирования позволили создать приборы этого типа не выходя за рамки допустимых эксплуатационных характеристик по весу, габаритам и возможностям эксплуатации. В результате лазерно-интерференционный прибор для измерения вариаций давления получает широкие возможности по чувствительности, большому частотному диапазону присущие интерферометру, включенному в его конструкцию. Опыт создания приборов на основе лазерно-интерференционных методов получен нами ранее при работе над различными измерителями физических параметров геосфер [1]. Эти устройства измеряют в инфразвуковом и звуковом диапазонах с высокой точностью на уровне фоновых шумов. Это такие устройства, как лазерные деформографы [2], лазерные нанобарографы [3], лазерные измерители вариаций давления гидросферы [4], разработанные соответственно для измерения микросмещений верхнего слоя земной коры, вариаций атмосферного и подводного давления. При использовании этих приборов были получены новые данные о взаимодействии геосфер. Например, было установлено, что цуги волн давления в водной среде с периодами, лежащими в диапазоне 7÷13 мин, вызваны подобными же цугами волн в атмосферном давлении, а не короткопериодными внутренними морскими волнами [5]. Комплексное использование этих уникальных приборов позволяет охватить большой спектр научных задач, связанных с изучением процессов взаимодействия геосфер. Для этого приборы объединяются в измерительные полигоны [6].

Применение лазерно-интерференционных измерителей вариаций давления [7] в научных исследованиях позволило накопить большой опыт работы с такими устройствами. Были даже созданы модификации с использованием разных источников излучения и компоновки прибора [8]. При этом было получено значительное количество интересных фундаментальных результатов [9]. Но также был выявлен ряд негативных особенностей этих приборов и их эксплуатации. Среди них следует отметить: 1) большие геометрические размеры и массу, что кроме неудобства эксплуатации приводит к неустойчивости интерференционной картины, 2) влияние изменения забортной температуры на показания интерферометра, 3) невозможность автономной работы, 5) невозможность подключения внешнего оборудования.

В связи с указанными недостатками, на основе конструкции лазерного измерителя вариаций давления гидросферы был создан новый прибор – измеритель флуктуаций давления (ИФД), рис. 1.

Рис. 1 – Фото ИФД в сборе (слева) и без герметичного корпуса (справа)

 

Конструкция существенно модернизирована, что позволило заметно повысить эксплуатационные характеристики прибора. Неизменным остался принцип действия, основанный на интерферометре Майкельсона, построенном по модифицированной схеме неравноплечего типа. Конструкция прибора схематически показана на рис. 2.

Рис. 2 – Оптико-механическая схема прибора:

1 –  источник излучения; 2 – фотоприемник; 3 – мембрана с закрепленным на ней зеркалом; 4 – делительный кубик; 5 – пьезокерамические цилиндры компенсации и пробного сигнала; 6 – камера компенсации гидростатического давления; 7 – система регистрации; 8 – собирающая линза; 9 – гермоокно; 10 – герметичный корпус

 

В качестве источника излучения используется гелий-неоновый частотно-стабилизированный лазер MellesGriot, компактная модель.

Одно «плечо» интерферометра является эталонным. Луч, который распространяется по другому «плечу», проходит через зеркало, установленное на мембране в крышке прибора. Согласно оптико-механической схеме интерферометра, внешняя сторона мембраны 3 соприкасается с водой. Этот луч является, таким образом, измерительным. Сведение попадающих на делительную пластину 6 обоих лучей позволяет получить на пластине интерференционную картину переменной яркости, обусловленную изменением разности хода лучей. Изменение яркости регистрируется фотоприемником 2 системы регистрации 7, которая формирует управляющий сигнал на компенсацию разности хода лучей. Этот же сигнал является выходным и он же подается на один из пьезокерамических элементов 5 для возврата интерференции на экстремум. На второй элемент подается «пробный» (или поисковый) сигнал, который представляет собой гармонические колебания, обеспечивающие правильную системы экстремального регулирования.

В приборе применяется система компенсации гидростатического давления. Она необходима для выравнивания давления по обе стороны от мембраны, чтобы привести ее перед измерениями в нейтральное положение. При погружении прибора по команде открывается электромагнитный клапан, который пропускает воздух из специальной емкости в камеру небольшого объема между мембраной и основным пространством корпуса, отделенную от него прозрачным гермоокном 9. По окончании погружения клапан закрывается перед началом измерений. При подъеме прибора давление из компенсационной камеры стравливают обратно.

Оптимальное положение деталей прибора было получено в процессе трехмерного моделирования. Схема расположения компонентов измерительного комплекса приведена на рис. 3.

Рис. 3 – Трехмерная модель расположения оптико-механических компонентов

 

Оптическая скамья выполнена из нержавеющей стали, что в совокупности с расположенными по обеим сторонам ребрами усиления и стальными растяжками с верхней стороны увеличило жесткость этого элемента. Источник излучения располагается под оптической скамьей, откуда луч через отверстие выводится с помощью системы зеркал. Блоки питания прибора располагаются в отдельном объеме от оптико-механической части внутри корпуса прибора.

Среди дополнительного оборудования аппаратурной части следует упомянуть наличие измерителей температуры. На оптической скамье интерферометра, и снаружи прибора (в тонкостенном щупе-стержне, расположенном в районе мембраны) установлены датчики температуры на основе цифрового термометра DS18B20. Измерение температуры внутри прибора необходимо, поскольку вариации температуры могут вносить существенную погрешность в показания неравноплечего интерферометра. Разрешающая способность датчика при использовании 12-битной платы аналого-цифрового преобразователя (АЦП) составляет 0,0625°С.

Для грубого измерения забортного давления (например, для определения глубины установки прибора) предусмотрена возможность установки датчика давления. Для этого в крышке прибора имеется гермо-штуцер для установки тензопреобразователя избыточного давления D0.4-T. Предельно измеряемое давление датчика равно 0,8 МПа, что соответствует глубине погружения ~80 м, разрешающая способность составляет 90 Па, т.е. 0,01% от диапазона измеряемого давления. При необходимости работы на глубине более 80 м предусмотрена возможность быстрой замены датчика давления. Для согласования датчика с измерительной и регистрирующей частями оборудования используется измерительный усилитель с переменным коэффициентом усиления в диапазоне 5÷4001.

На крышке прибора установлен герметичный разъем, предназначенный для дополнительного оборудования. Это универсальный интерфейс, на который выделено отдельное питание и линия передачи данных. В частности, измеритель может работать совместно с флуориметром ECO FL, предназначенным для определения биологических характеристик воды, в частности содержания хлорофилла-а. Этот датчик позволяет проводить измерения в диапазоне 0÷125 мкг/л с разрешением 0,02 мкг/л.

В работе интерферометра используется система регистрации интерференционного измерителя вариаций давления [10] с некоторыми модификациями. Изменения коснулись улучшения характеристик цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), теперь установлена модель 14 бит. В системе регистрации используется принцип удержания интерференции на уровне максимальной яркости. Это обеспечивается рабочим органом системы регистрации – компенсирующей пьезокерамикой, которая перемещает свой незакрепленный конец с установленным на нем зеркалом, с постоянной скоростью, удерживая интерференцию на экстремуме. Для определения направления смещения от положения экстремума вторая пьезокерамика вводит в оптический сигнал искусственное гармоническое возмущение с частотой 100 кГц – сигнал «раскачки», являющийся пробным или поисковым. Для рассматриваемой системы с постоянной скоростью перемещения рабочего органа обратной связи (компенсирующей пьезокерамики) связь между максимальной скоростью ν перемещения рабочего органа системы регистрации, частотой f пробного (поискового) сигнала, длиной волны λ излучения лазера и разрядностью N ЦАП, можно описать выражением:

           (1)

Из (1) следует, что с повышением разрядности необходимо повышать и частоту поискового сигнала. В разработанном приборе частота поискового сигнала составляет 100 кГц, что в четыре раза выше, чем в ранее созданных системах. При условии, что динамический диапазон усилителя, управляющего рабочим органом системы регистрации, не уже, чем у ЦАП, максимальная точность измерения перемещений мембраны измерителей давления составляет 0.75λ / (2^N-1) или 0,06 нм.

Давление, которое регистрирует измеритель вариаций давления гидросферы, оборудованный описанной регистрирующей системой, можно рассчитать по формуле, описывающей поведение закрепленной по краям плоской мембраны [11]:

    (2)

Здесь Δl – смещение мембраны; h – толщина мембраны; E – модуль Юнга; σ – коэффициент Пуассона; R – радиус мембраны. В измерителе могут быть использованы мембраны, изготовленные из листа нержавеющей стали толщиной 0,1; 0,5; 1; 2 мм. В испытаниях использована мембрана толщиной 1 мм. Подставляя в (2) следующие значения: R = 5 см, h = 1 мм, E = 2,1∙1011 Н/м2, σ = 0,25 и Δl = 0.06 нм, получим, что разрешение измерителя по давлению составляет P = 11,5 мПа. При этом, с точки зрения частотных характеристик, система способна регистрировать вариации давления в диапазоне частот от самых низких (близких к нулевым) до 1000 Гц.

Передача показаний прибора на береговую станцию по кабельной линии удобно лишь при небольших дистанциях от берега, подготовленной инфраструктуре, береговой черте без крутых склонов и скал. Все это сильно усложняет установку и эксплуатацию системы, а проведение измерений на дистанциях более 500 м от береговой черты так и вовсе становится практически невозможным. Поэтому обеспечение возможности автономной работы лазерно-интерференционного комплекса – необходимость. Однако, как показал анализ, переход на полностью автономную работу с размещением в корпусе прибора средств регистрации и источников питания (которые ранее располагались на берегу) оказался не целесообразным. Хотелось сохранить достигнутые характеристики веса и размера прибора. Кроме того, при проведении измерений вблизи береговой черты, использование кабельных линий вполне оправданно отсутствием ограничений по энергопотреблению, продолжительности времени работы, возможности мгновенного получения любого объема информации, регистрируемой датчиками, упрощением телеметрии.

Чтобы сохранить все эти преимущества и обеспечить возможность работы как с использованием кабельной линии, так и без нее, был разработан универсальный контейнер автономизации гидрофизических приборов. В состав контейнера входят батареи питания (литий-ионные элементы питания 4S мощностью до 7965 Вт×ч), блоки согласования и стабилизации параметров электрических цепей, а также микрокомпьютер с твердотельным накопителем для записи информации, поступающей из прибора. Контейнер подключается к герметичному разъему прибора, который используется для берегового кабеля. Расчетное время автономной работы прибора составляет более 6 суток, что с учетом значительности потребления энергии газовым лазером, системы регистрации, измерителями давления и температуры и системами связи, работающими на высоких частотах, является очень хорошим показателем. Испытания работы контейнера автономизации гидрофизических приборов в течение 145 ч продемонстрировали работоспособность данного устройства. На рис. 4 приведен участок записи, демонстрирующий колебания давления при ветровом волнении. По оси ординат – напряжение на выходе системы регистрации, пропорциональное измеряемому давлению. Коэффициент пересчета 0,25В/Па. По оси абсцисс – время. Глубина установки прибора 12 м.

Рис. 4 – Пример записи ИФД

 

Напомним, что установленные в приборе цифровые датчики температуры позволяют проводить корректировку показаний интерферометра с учетом вариаций температуры. Это очень важно, поскольку изменение температуры внутри прибора приводит к изменению длины эталонного «плеча» вследствие теплового расширения деталей интерферометра. Внешний датчик дает информацию о поле температуры снаружи прибора. В данной модели прибора требуется корректировка выходного сигнала системы регистрации интерферометра на -3,305 В на каждый шаг измерения термодатчика, т.е. на 0,0625°С. Значение напряжения было подобрано эмпирическим путем при проведении тестов. Функция коррекции показаний интерферометра была включена в программное обеспечение обработки измерений.

Испытания разработанного ИФД прошли успешно и прибор может быть использован для научных исследований. Использование данного оборудования позволяет решать задачи по изучению амплитудно-фазовых вариаций колебаний давления, температуры и других параметров в гидросфере в широком частотном диапазоне.

Финансирование Работа выполнена при частичной  финансовой поддержке РНФ, грант № 14-50-00034.	Funding This work was carried out with partial financial support from the Russian Science Foundation, grant number 14-50-00034.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Долгих Г. И. Лазеры. Лазерные системы / Г. И. Долгих, В. Е. Привалов. Владивосток: Дальнаука, 2009.
2. Долгих Г. И. Лазерный деформограф с точностью на уровне пикометров / Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, В. В. Овчаренко и др. // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 2. С. 138-139.
3. Долгих Г. И. Лазерный нанобарограф и его применение при изучении баро-деформационного взаимодействия / Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, С. Н. Ковалев и др. // Физика Земли. 2004. № 8. С. 82.
4. Долгих Г. И. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы / Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, С. Н. Ковалев и др. // ПТЭ. 2005. № 6. С. 56137.
5. Долгих Г. И. Морские внутренние волны и атмосферные депрессии / Г. И. Долгих, С. С. Будрин, С. Г. Долгих и др. // Доклады Академии наук. 2015. Т. 462. №5. С. 601.
6. Долгих Г. И. Комплексный пространственно-разнесённый полигон на Дальнем Востоке для геонаблюдений / Г. И. Долгих, С. С. Будрин, С. Г. Долгих и др. // Измерительная техника. 2016. №3, с. 34-36.
7. Долгих Г. И. Лазерно-интерференционные системы измерения распределения гидростатического давления / Г. И. Долгих, С. С. Будрин, С. Г. Долгих и др. // Подводные исследования и робототехника. 2011. №1(11). С. 49-58.
8. Долгих Г. И. Лазерный гидрофон на основе зеленого лазера LCM-S111 / Г.И. Долгих, С. Г. Долгих, В. А. Чупин и др.  // Приборы и техника эксперимента. 2013. № 5. С. 140-141.
9. Долгих Г. И. Связь сверхнизкочастотных и низкочастотных вариаций гидросферного давления с уровнем микродеформаций земной коры / Г.И. Долгих, С. Г. Долгих, В. А. Чупин и др.  // Сборник трудов XХ сессии РАО. М.: ГЕОС. 2008. Т. 2. С. 435-437.
10. Долгих Г. И. Цифровая система регистрации лазерно-интерференционных установок / Г. .И. Долгих, С. Н. Ковалев, В.А. Швец и др.  // Приборы и техника эксперимента. 2008. №5. С.158-159.
11. Ландау Л. Д. Теоретическая физика. Т. VII. Теория упругости / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. М.: Наука. 1987. 246 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dolgikh G. I. Lazery. Lazernyye sistemy [Lasers. Laser Systems] / G. I. Dolgikh, V. E. Privalov. Vladivostok: Dal'nauka, 2009. [In Russian]
2. Dolgikh G. I. Lazernyy deformograf s tochnost'yu na urovne pikometrov [Laser Deformograph with Accuracy at Level of Picometers] / G. I. Dolgikh, S. G. Dolgikh, V. V. Ovcharenko, etc. // Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and Experimental Technique] 2013. No. 2. P. 138-139. [In Russian]
3. Dolgikh G. I. Lazernyy nanobarograf i yego primeneniye pri izuchenii baro-deformatsionnogo vzaimodeystviya [Laser Nanobarograph and Its Application in Study of Baro-deformation Interaction] / G. I. Dolgikh, S. G. Dolgikh, S. N. Kovalev, etc. // Fizika Zemli [Fizika Zemli] 2004. No. 8. P. 82. [In Russian]
4. Dolgikh G. I. Lazernyy izmeritel' variatsiy davleniya gidrosfery [Laser Gauge for Variations in Pressure of Hydrosphere] / G. I. Dolgikh, S. G. Dolgikh, S. N. Kovalev et al. // PTE. 2005. No. 6. P. 56137. [In Russian]
5. Dolgikh G. I. Morskiye vnutrenniye volny i atmosfernyye depressii [Sea Internal Waves and Atmospheric Depressions] / G. I. Dolgikh, S. S. Budrin, S. G. Dolgikh, etc. // Doklady Akademii nauk [Reports of the Academy of Sciences]. 2015. V. 462. No.5. P. 601. [In Russian]
6. Dolgikh G. I. Kompleksnyy prostranstvenno-raznesonnyy poligon na Dal'nem Vostoke dlya geonablyudeniy [Complex of Spatially Separated Polygon in Far East for Geoobservations] / G. I. Dolgikh, S. S. Budrin, S. G. Dolgikh, etc. // Izmeritel'naya tekhnika [Measuring equipment]. 2016. No.3, P. 34-36. [In Russian]
7. Dolgikh G. I. Lazerno-interferentsionnyye sistemy izmereniya raspredeleniya gidrostaticheskogo davleniya [Laser-Interference Systems for Measuring Distribution of Hydrostatic Pressure] / G. I. Dolgikh, S. S. Budrin, S. G. Dolgikh, etc. // Podvodnyye issledovaniya i robototekhnika [Underwater Studies and Robotics]. 2011. No. 1 (11). P. 49-58. [In Russian]
8. Dolgikh G. I. Lazernyy gidrofon na osnove zelenogo lazera LCM-S111 [Laser Hydrophone Based on a Green Laser LCM-S111] / G. I. Dolgikh, S. G. Dolgikh, V. A. Chupin et al. // Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and experimental techniques]. 2013. No. 5. P. 140-141. [In Russian]
9. Dolgikh G. I. Svyaz' sverkhnizkochastotnykh i nizkochastotnykh variatsiy gidrosfernogo davleniya s urovnem mikrodeformatsiy zemnoy kory [Connection of Ultralow-Frequency and Low-Frequency Variations of Hydrospheric Pressure with Level of Microdeformations of Earth's Crust] / G. I. Dolgikh, S. G. Dolgikh, V. A. Chupin, etc. // Sbornik trudov XKH sessii RAO. [Collected Works of the XX session of the RAS] M.: GEOS. 2008. V. 2. S. 435-437. [In Russian]
10. Dolgikh G. I. Tsifrovaya sistema registratsii lazerno-interferentsionnykh ustanovok [Digital Registration System of Laser-Interference Installations] / G. I. Dolgikh, S. N. Kovalev, V .A. Shvets, et al. // Pribory i tekhnika eksperimenta [Instruments and Experimental Techniques]. 2008. No. 5. P.158-159. [In Russian]
11. Landau L. D. Teoreticheskaya fizika. T. VII. Teoriya uprugosti [Theoretical Physics. V. VII. Theory of Elasticity] / L. D. Landau, E. M. Lifshits. M.: Science. 1987. 246 p. [In Russian]