УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ВЕЛИЧИН ТОЛЩИНЫ ЛЬДА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ICE DEPTH MINOR MAGNITUDES

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.
Известно устройство, реализующее способ определения толщины льда, содержащее полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку, заполненную незамерзающей рабочей средой под давлением выше атмосферного и соединенную полостью с манометром (RU 2422736 C1, 27.06.2011). В этом устройстве в период льдообразования измеряют давление в полости эластичной оболочки посредством манометра и на основе тарировочного графика, построенного по результатам измерения давления, определяют толщину льда.
Недостатком этого известного устройства можно считать узкую функциональную возможность, связанную с построением тарировочного графика в зависимости от диапазона изменения толщины льда. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство для определения толщины льда (RU 2495369 C1, 10.10.2013), содержащее микроволновой генератор, полый диэлектрический цилиндр, полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку и измеритель амплитудно-частотных характеристик. Принцип действия этого устройства заключается в возбуждении электромагнитных колебаний в металлическом резонаторе (резонатор размещен в цилиндрическом цилиндре) с диафрагмой в виде одной из торцевых стенок и воздействии рабочей средой эластичной оболочки на диафрагму резонатора. В данном устройстве измерение собственно резонансной частоты резонатора дает возможность определить толщину льда.
Недостатком этого устройства является низкая чувствительность при изменении толщины в малых значениях.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение чувствительности измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения малых величин толщины льда, содержащем микроволновый генератор и полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку, введены волноводная детекторная головка с поршнем, гидроцилиндр поступательного движения и измеритель амплитуды, причем вход измерителя амплитуды соединен с первым плечом волноводной детекторной головки с поршнем, второе плечо которого подключено к выходу микроволнового генератора, третье плечо волноводной детекторной головки с поршнем соединен с выходом гидроцилиндра поступательного движения, вход гидроцилиндра поступательного движения подключен к полой цилиндрической герметичной эластичной оболочке.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что продедектированный выходной сигнал волноводной детекторной головки с поршнем, сформированный в результате взаимодействия микроволнового сигнала с поршнем при его перемещении из-за воздействия на него штока гидроцилиндра после обжатия эластичной оболочки образованным на поверхности воды льдом, дает возможность измерить толщину льда.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу измерения толщины льда на основе использования продедектированного выходного сигнала волноводной детекторной головки с поршнем, возникающего при взаимодействии микроволнового сигнала с поршнем при перемещении штока гидроцилиндра и обжатии эластичной оболочки с желаемым техническим результатом, т.е. повышением чувствительности измерения толщины льда.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Данное устройство содержит измеритель амплитуды 1, соединенный входом с первым плечом волноводной детекторной головки с поршнем 2, микроволновой генератор 3, гидроцилиндр поступательного движения 4 и полую цилиндрическую герметичную эластичную оболочку 5.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитные колебания одной фиксированной частоты с выхода микроволнового генератора 3 поступают на второе плечо волноводной детекторной головки с поршнем 2. Колебания, поступившие в полость волноводной детекторной головки, распространяются по ее полости и могут отразиться от поверхности поршня (поршень размещен в третьем плече волноводной детекторной головки), перемещающегося внутри детекторной головки со стороны ее третьего плеча в сторону второго плеча. По принципу работы волноводной детекторной головки с поршнем в полости детекторной головки, ввиду наложения отраженной от поверхности поршня и распространяющейся со стороны второго плеча детекторной головки волн, может возникнуть стоячая волна, амплитуда которой используется для измерения толщины льда в данном устройстве.
При отсутствии льда на поверхности воды эластичная оболочка 5, контактирующая с поверхностью воды, не испытывает обжатия и в связи с этим рабочая среда (жидкость) из эластичной оболочки не поступает в гидроцилиндр поступательного движения 4, т.е. не наблюдается перемещение штока гидроцилиндра (предварительно шток гидроцилиндра жестко связывается с поршнем детекторной головки). Появление льда в водоеме приводит к обжатию оболочки и из-за этого давление рабочей среды в оболочке увеличится, что, в свою очередь, может обусловить поступление рабочей среды в гидроцилиндр. В результате этого шток будет перемещаться. Так как шток жестко связан с поршнем детекторной секции, то перемещение штока приведет и к перемещению поршня по внутренней поверхности волноводной детекторной головки. В силу этого амплитуда стоячей волны, возникающей в полости детекторной головки ввиду наложения отраженной от поверхности перемещающегося поршня и распространяющейся по полости детекторной головки со стороны второго плеча детекторной головки волн (как уже было показано выше), будет изменяться в зависимости от расстояния перемещения поршня. Согласно принципу действия волноводной детекторной головки съем электромагнитного сигнала, соответствующего стоячей волне в полости детекторной головки с поршнем, осуществляется с помощью первого плеча детекторной головки. В предлагаемом устройстве снимаемый с первого плеча детекторной головки продедектированный сигнал далее подается на вход измерителя амплитуды 1. Здесь по амплитуде сигнала можно получить информацию о величине толщины льда в водоеме.
В предлагаемом устройстве однозначную зависимость амплитуды продедетектированного сигнала от изменения толщины льда можно получить в пределах изменения толщины λ/4, где λ - длина электромагнитных колебаний при фиксированной частоте, генерируемых микроволновым генератором. Это объясняются свойствами стоячих волн (расстояние между минимумами и максимумами стоячей волны, например). При отсутствии льда поршень волноводной детекторной головки должен занимать положение (одновременно с положением штока гидроцилиндра), соответствующее минимальному значению амплитуды стоячей волны. После этого появление льдообразования на поверхности воды приведет к перемещению штока одновременно с поршнем детекторной головки и амплитуда стоячей волны будет расти. При этом максимальное значение (изменение степень обжатия оболочки из-за увеличения толщины льда) амплитуды стоячей волны будет соответствовать максимальной величине толщины льда. При этом уменьшение толщины льда от максимума до нулевого (отсутствие) значения должно привести к уменьшению амплитуды информативного сигнала от максимума до минимума.
Согласно предлагаемому техническому решению предварительно полая герметичная цилиндрическая эластичная оболочка устанавливается на поверхность воды. Для обеспечения возможности плавания оболочки служит поплавок, а для удержания оболочки в вертикальном положении - балластный груз. Оболочку можно выполнить из морозостойкой армированной резины. В качестве рабочей среды в полости оболочки используется незамерзающая жидкость с давлением больше атмосферного. При этом полость оболочки, для подачи рабочей среды, с помощью трубки соединятся с входом гидроцилиндра поступательного движения.
При практической реализации данного устройства в качестве микроволнового генератора могут быть использованы генераторы ГЛПД 1, 2 или генераторы, построенные на диодах Ганна.
Предлагаемое устройство успешно может быть использовано для расчета нагрузки на опоры мостов и в рыболовстве.
Таким образом, согласно предлагаемому устройству на основе измерения амплитуды стоячей волны, возникающей в полости волноводной детекторной головке с поршнем, перемещающим под воздействием штока гидроцилиндра при обжатии льдом эластичной оболочки, соприкасающейся с поверхностью воды, можно обеспечить повышение чувствительности измерения льда.