СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЛНОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ОТКРЫТОЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR MEASUREMENT OF WAVE FLUCTUATIONS ON OPEN WATER SURFACE

Изобретение относится к способам измерения изменений уровня воды, в частности природных вод, и может быть использовано для контроля волновых процессов в открытых водоемах и водотоках.
Известны способы регистрации волновых колебаний на открытой водной поверхности или изменения уровня воды, например с использованием датчиков гидростатического давления (RU 2260776), с использованием оптического сигнала (RU 2112943), с использованием акустических импульсов (RU 2231026), радиолокационный способ определения параметров морской поверхности с использованием СВЧ-радиоимпульсов путем измерения параметров электромагнитного излучения, отраженного от взволнованной поверхности (RU 2018873, RU 2024034).
Однако все эти способы требуют использования стандартного сигнала, сформированного с помощью специальных генераторов, требующих источников электропитания, удорожающих процедуру измерения и, как правило, ограничивающих применение способов в реальных условиях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату от его использования (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ измерения волновых колебаний воды, основанный на использовании высокой проводимости воды для тока звуковой частоты (см. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.208-209). Этот способ основан на регистрации изменения тока в цепи генератора звуковой частоты за счет рассеяния тока в слое воды с проходящего через поверхность воды высокоомного проволочного датчика, опускаемого в воду на половину его длины. По изменению тока судят об изменении площади поверхности датчика, контактирующей с водой, а она в свою очередь зависит от изменения уровня погружения датчика, т.е. от амплитуды волны.
Недостатком этого способа является необходимость использования генератора тока звуковой частоты и проволочного датчика, требующего дополнительных операций по установке в процессе измерений, что приводит к усложнению и удорожанию измерений, необходимости использования источников электропитания и, как следствие, введению ограничений на применение способа.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение возможностей эксплуатации способа, снижение его себестоимости, увеличение надежности.
Поставленная задача достигается с помощью получаемого от использования изобретения технического результата, заключающегося в осуществлении процесса измерения изменений уровня воды упрощенным путем, при котором отсутствует необходимость в использовании оборудования, требующего наличия источников электропитания.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе, включающем установку линейного измерительного электрода в воде таким образом, чтобы измерительный электрод пересекал поверхность воды при всех измеряемых амплитудах изменения уровня воды, в воду дополнительно помещают электрод сравнения, который выполняют произвольной формы. Электрод сравнения погружают в воду полностью и устанавливают его по отношению к измерительному электроду в фиксированном положении. При этом измерительный электроды и электрод сравнения изготавливают из проводящих материалов, имеющих разные, желательно возможно более сильно различающиеся электродные потенциалы. В качестве измеряемого сигнала используют гальванический ток, протекающий по электрической цепи, соединяющей электроды через регистрирующее устройство. По величине этого тока судят о величине амплитуды и периоде волн на поверхности воды.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, изображенного на фиг.1, которое включает в себя два электрода, жестко закрепленных относительно друг друга бесконтактным соединением. Один из электродов - электрод сравнения 2 - выполнен произвольной формы и погружен в воду полностью, другой - измерительный электрод 1 - выполнен линейной формы и установлен в воду таким образом, чтобы пересекать поверхность воды при любой измеряемой амплитуде волн. Эти электроды соединены проводами 3 с регистрирующим устройством 4.
Электроды должны быть изготовлены из проводящих материалов, имеющих разные, желательно возможно более сильно различающиеся электродные потенциалы, например из металлов (см. Краткий справочник физико-химических величин./Под ред. К.П.Мищенко и А.А.Равделя. Л.: Химия, 1972, стр.132-133).
Работа вышеуказанного устройства для осуществления процесса измерений заключается в следующем. При замыкании электрода сравнения 2 и измерительного электрода 1 через регистрирующее устройство 4 за счет гальванической разности потенциалов электродов в цепи возникает ток, величина которого зависит от площадей контакта электродов с водой. Поскольку электрод сравнения 2 полностью погружен в воду, то площадь его контакта с водой неизменна и величина тока зависит только от площади контакта с водой измерительного электрода 1. В свою очередь площадь контакта с водой измерительного электрода 1 зависит от глубины его погружения в воду, которая определяется при жестко закрепленных электроде сравнения и измерительном электроде наличием волн на поверхности воды. Таким образом, наличию волн на поверхности воды соответствуют регистрируемые колебания величины гальванического тока.
Для проверки работоспособности способа был изготовлен экспериментальный образец, схема которого представлена на фиг.2.
В качестве электрода сравнения 2 был использован односторонний фольгированный текстолит ГОСТ 10316-78, в качестве измерительного электрода 1 - пруток из стали Ст3 ГОСТ 5781-82 диаметром 6 мм, длиной 1,5 м с резьбой Мб на одном конце. Жесткое крепление электродов относительно друг друга осуществлялось резьбовым соединением. В месте соединения электродов 1 и 2 фольга с электрода 2 была снята механически для предотвращения контакта электродов. Места припоя проводов к электродам были гидроизолированы герметиком «Момент» ТУ 2257-018-0483 1040-2001. Электрод сравнения 2 устанавливался нефольгированной стороной на дно р. Волги на глубинах от 0,1 до 1 м с интервалом 0,1 м по линейке ГОСТ 12646-67.
Амплитуда волн измерялась линейкой ГОСТ 17435-72 с ценой деления 1 мм, расположенной на расстоянии ~1 см от измерительного электрода 1 в плоскости, перпендикулярной фронту волны, чтобы снизить искажение последней вблизи электрода.
Величина тока гальванической пары электродов измерялась микроамперметром М2000 ГОСТ 8711-60 с ценой деления 1 мкА.
По результатам измерений установлено, что колебания величины тока зависят от амплитуды волны и не зависят от глубины погружения электрода сравнения 2. Чувствительность устройства составляла около 2 мкА на 1 сантиметр амплитуды волны.
2+
-4
-4
-3
-2
2
Для установления вида зависимости гальванического тока пары электродов от глубины погружения в воду измерительного электрода 1 и влияния на эту зависимость растворенных в воде примесей были изготовлены прямоугольные электроды из фольгированного текстолита ГОСТ 10316-78 (электрод сравнения 2) и из листовой нержавеющей стали 08Х18Н10 ГОСТ 19904-90 (измерительный электрод 1) разной площади. Электроды погружались в стеклянные емкости с водопроводной водой ГОСТ Р 51232-98, а также с растворами сульфата меди (1 г-ион/л Cu), ЭДТА (10 моль/л), хлористого калия (10, 10 и 10 моль/л) в дистиллированной воде. Площадь контакта с водой и растворами электрода сравнения 2 была постоянной и составляла 10,6 см. Площадь контакта с водой и растворами измерительного электрода 1 изменялась путем погружения его на различную глубину.
Глубина погружения измерительного электрода 1 регистрировалась измерительной линейкой ГОСТ 17435-72 с ценой деления 1 мм.
Для измерения использовался самопишущий потенциометр КСПП-4 ГОСТ 7164-78 со шкалой 10 мВ. Результаты представлены на фиг.3 (с водопроводной водой) и на фиг.4 (с растворами). По горизонтальной оси отложены значения площади контакта измерительного электрода 1 с водой и растворами; по вертикальной оси - значения гальванического тока в делениях шкалы прибора для фиг.3 и значения гальванического тока в мкА для фиг.4.
Из фиг.3 видно, что зависимость гальванического тока пары электродов от глубины погружения в воду измерительного электрода 1 носит линейный характер.
Из фиг.4 видно, что величина гальванического тока пары электродов зависит от наличия в растворе ионных примесей. Тем не менее, зависимости, как и на фиг.3, все имеют линейный характер. Кроме этого, фиг.4 показывает, что вариации концентрации одной примеси (в данном случае хлористого калия) даже в 10-100 раз не оказывает существенного влияния на величину регистрируемых изменений гальванического тока.
Линейность данных, представленных на фиг.3 и 4, свидетельствует о том, что колебания величины гальванического тока не зависят от абсолютной величины тока, т.е. глубины погружения измерительного электрода 1, а зависят только от величины изменения уровня погружения измерительного электрода 1.
2
Для проверки возможной зависимости гальванического тока от горизонтального движения воды была изготовлена конструкция, в которой прямоугольные электроды 2 из фольгированного текстолита ГОСТ 10316-78 и 1 из листовой нержавеющей стали 08Х18Н10 ГОСТ 19904-90 были закреплены в плоском куске пенопласта, обеспечивающем их постоянную глубину погружения. Собранная конструкция была зафиксирована на поверхности воды в аттестованном гидрометрическом лотке ГР-19 ТУ 25-08-798-70. Площади пластин, погруженных в воду, были постоянными и составляли 120 см, скорость водного потока изменялась по программе, задаваемой управляющим компьютером.
Измерения показали, что при скоростях потока воды в интервале 0,06-0,6 м/с величина тока гальванической пары электродов оставалась постоянной и составляла 88 мкА, что свидетельствует о том, что горизонтальное перемещение воды не влияет на величину гальванического тока.
Таким образом, описанный выше способ позволяет осуществлять измерение изменений уровня воды в открытых резервуарах упрощенным путем без применения оборудования, требующего наличия источников электропитания, что позволяет снизить риск отказа оборудования при проведении измерений, особенно в полевых условиях, а также себестоимость этого способа измерений.