ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено в геофизике для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, например для определения высоты волн на поверхности моря.
Известен дискретный уровнемер (п. РФ №2292017, опубл. 20.01.2007), в котором для измерения уровня жидкости применяется вертикально ориентированный стержень, с закрепленными на нем герконами (герметизированный магнитоуправляемый контакт), вдоль которых скользит поплавок с магнитом, вызывающий срабатывание тех герконов, в непосредственной близости от которых в данный момент времени он находится. В известном устройстве уровень жидкости определяется по положению поплавка относительно стержня. Однако сигнал данного устройства носит дискретный характер и чувствительность его ограничена шагом размещения герконов, который не может быть выбран произвольно малым в связи с недостаточно локальным воздействием магнитного поля на герконы.
Известно устройство для исследования волновых процессов с применением акустических сигналов, излучаемых в направлении дна и поверхности моря (п. США №3910111, опубл. 07.10.1975). Известное устройство состоит из плавучей платформы, с вертикально расположенными плавучими основаниями, к одному из которых под водой прикреплен излучатель и приемник, обеспечивающие измерение расстояния до дна и до поверхности моря. Однако подобные приборы отличаются технической сложностью. Кроме того, наклоны приемопередатчика, связанные с наклонами платформы при волнении, вызывают искажение измеряемых дистанций, что приводит к ряду погрешностей измерений.
Наиболее близким по назначению к заявляемой полезной модели является устройство для измерения поверхностного волнения моря, представляющее собой плавающий на поверхности воды поплавок, к нижней части которого присоединен герметичный контейнер, содержащий в качестве датчика для измерения поверхностного волнения акселерометр с осью чувствительности, ориентированной вертикально, и электронный измерительный блок. Двойное интегрирование выходного сигнала акселерометра, осуществляемое с помощью двух последовательно стоящих интеграторов, размещенных в электронном измерительном блоке, позволяет получить информацию о вертикальном перемещении поплавка на взволнованной поверхности моря. В верхней части поплавка находится антенна, передающая сигналы в пункт их приема и обработки, который может находится как на берегу, так и на борту судна, (п. США №3769838, опубл. 06.11.1973).
К сожалению, заявляемое устройство имеет ограничение в области низких частот, связанное с трудностями измерений акселерометром низкочастотных ускорений. Кроме того, качка устройства при волнении водной поверхности приводит к погрешностям измерений. Данное устройство является также технически сложным. В силу своей автономности оно требует периодического возобновления запаса энергии и постоянного наблюдения со стороны обслуживающего персонала с целью предотвращения потери поплавка в результате, например, ветрового дрейф. Это требует привлечения дополнительных ресурсов, средств поиска и наблюдения и приводит к снижению оперативности при работе с устройством.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента измерителей поверхностного волнения жидкостей.
Технический результат заявляемого устройства - повышение точности измерений, конструктивная простота, удобство эксплуатации, а также оперативность.
Поставленная задача решается измерителем поверхностного волнения, состоящим из несущей трубы, в верхней части которой вертикально установлен емкостной датчик поверхностного волнения, соединенный с электронным измерительным блоком, находящимся в герметичном контейнере, поплавка, размещенного в средней части несущей трубы, а также троса, установленного в несущей трубе с возможностью регулирования его длины и снабженного якорем.
Блок-схема заявляемого устройства приведена на фиг., где1 - несущая труба, 2 - емкостной датчик поверхностного волнения, 3 - поплавок, 4 - трос 5 - якорь, 6 - герметичный контейнер, включающий электронный измерительный блок, 7 - фиксатор троса.
Емкостной датчик (2) поверхностного волнения расположен вертикально в верхней части несущей трубы (1) и пересекает поверхность жидкости при постановке устройства в исследуемый район. Датчик (2) представляет собой электрически изолированный стержень, расположенный между двумя электропроводящими пластинами. Стержень и пластины образуют обкладки электрической емкости, величина которой зависит от соотношения погруженной и не погруженной частей датчика.
Электронный измерительный блок, (на фиг. не показан) предназначенный для сбора, регистрации и передачи информации, расположен в герметичном контейнере (6) в верхней части несущей трубы (1) и может быть выполнен в виде соединенных между собой источника питания, генератора, оптрона и микропроцессора. Электрически изолированный от пластин стержень датчика (2) посредством гермоввода в герметический контейнер (6) соединяется с одним из контактов генератора, служащим для подключения емкости, второй из контактов генератора, служащий для подключения емкости, соединяется с корпусом герметического контейнера, (6) который, в свою очередь, электрически и механически соединен с пластинами датчика (2). Сбор информации в виде цифровых кодов осуществляется микропроцессором при условии оборудования его автономной системой сбора и хранения информации, например в виде контроллера с флэш памятью или передается по кабелю на береговой пост, что позволяет использовать полученную информацию в реальном времени и решает задачу оперативности заявляемого устройства.
Для уменьшения температурной погрешности и повышения точности измерений устройство может быть дополнительно снабжено датчиком температуры, расположенным, например, на гермоконтейнере. Опрос датчика температуры, вычисление значений температуры выполняются непосредственно микроконтроллером в реальном масштабе времени.
Конкретная аппаратурная реализация электронного измерительного блока, емкостного, температурного датчиков является стандартной и зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, быстродействия.
Для получения большого восстанавливающего момента с целью уменьшения размаха колебаний измерителя при волнении жидкости и снижения возникающих при этом погрешностей несущая труба (1) измерителя выполнена таким образом, чтобы разнести на достаточно большое расстояние точки приложения горизонтальных сил якоря (5)и поплавка (3).
Для удобства изготовления, транспортировки, хранения несущая труба (1) может быть выполнена разъемной.
Якорь (5) крепится к нижней части несущей трубы (1) посредством троса (4), который проходит через всю трубу и фиксируется в ее верхней части фиксатором троса (7), выполненным любым известным способом. Длина троса (4) определяется глубиной места исследуемого района и таким расположением емкостного датчика (2) поверхностного волнения на несущей трубе (1), чтобы он пересекал поверхность жидкости.
Степень погружения датчика (2) по глубине точно регулируется путем смещения несущей трубы (1) вдоль троса (4).
Поплавок (3) который, размещается в средней части несущей трубы (1), используют для натяжения троса (4).
д
Принцип работы измерителя поверхностного волнения основан на измерении электрической емкости С конденсатора, обкладки которого пространственно расположены вдоль вертикальной оси так, что свободная поверхность жидкости пересекает их при любых измеряемых уровнях поверхности жидкости. Благодаря тому, что диэлектрическая проницаемость воды примерно в 10 раз больше диэлектрической проницаемости воздуха, имеет место соотношение:
0
п
где h - уровень поверхности жидкости или это расстояние между дном и поверхностью жидкости, k - коэффициент а С - емкость, не зависящая от уровня поверхности жидкости h
д
Для измерения С установлен генератор, запитываемый от гальванически не связанного с цепями микропроцессора источника питания, производящий импульсы, частота следования которых F зависит от емкости следующим образом:
1
где k - коэффициент.
Выход генератора через оптронную развязку соединен с измерителем частоты, выполненном на микропроцессоре, который осуществляет подсчет количества импульсов N, вырабатываемых генератором за определенное время, задаваемое имеющимся в микропроцессоре таймером. Оптронная развязка выполнена на диодно-транзисторном оптроне и применяется, так же как и отдельный источник питания генератора, для устранения влияния на генератор электромагнитных наводок. Таким образом, устанавливается зависимость:
2
где k - коэффициент.
Обрабатывая по заданному алгоритму полученные числа N, вычисляют величину h.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Постановка устройства в исследуемый район осуществляется в сборе. Устройство крепится якорем (6) на дне моря. При погружении в море устройства емкостный датчик (2) поверхностного волнения частично заполняется водой, причем соотношение заполненной и незаполненной частей изменяется в зависимости от изменений уровня воды в данной точке, так как расстояние датчика от дна есть величина постоянная. При этом изменяется электрическая емкость датчика (2), которая, в свою очередь, вызывает изменения частоты генератора, к которому он подключен. Частота генератора измеряется микропроцессором, и далее в цифровом виде может либо храниться в микроконтроллере с флэш-памятью, либо передается по кабелю на береговой пост потребителю информации, который, путем расчетов, может определить уровень воды как функцию времени, и, соответственно, высоту волны в текущий момент времени.
Таким образом, конструктивное выполнение заявляемого устройства, а также использование емкостного датчика поверхностного волнения приводит к повышению точности измерений, позволяет оперативно получать результаты измерений в реальном времени, обладает конструктивной простотой, а также удобно в эксплуатации