Устройство для измерения микровозмущений водной поверхности, вызванных процессами в стратифицированной по плотности среде
DEVICE FOR MEASURING MICRO-ROUGHNESS OF WATER SURFACE CAUSED BY PROCESSES IN DENSITY-STRATIFIED MEDIUM

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, как в натурных, так и в лабораторных условиях, например, для определения микровозмущений (порядка десятков микрон) водной поверхности при наличии низкочастотных волн значительной амплитуды (порядка пяти-десяти сантиметров).
Известны устройства для измерения поверхностного волнения: поплавковые, струнные, гидростатические и др. Как правило, они все контактного типа с погружаемой частью емкостного датчика.
Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению является устройство с использованием струнного емкостного датчика поверхностного волнения, описанное в авторском свидетельстве «Способ определения параметров волн и устройство для его осуществления» (SU 1432333 от 23.10.1988 г., G01C 13/00) - прототип, принцип работы которого основан на изменении емкости конденсатора, одна обкладка которого образована изолированной металлической струной, а другой обкладкой является вода, также устройство содержит усилительные и обрабатывающие информацию со струнного емкостного датчика поверхностного волнения блоки.
Недостатком известного решения является невозможность измерения микроколебаний водной поверхности по причине прилипания жидкости к погруженной части струнного датчика и его загрязнения на границе раздела вода-воздух.
Известны бесконтактные емкостные датчики для измерения расстояний, работающие на принципе изменения емкости конденсатора в случае, когда одна его обкладка образована пластиной самого датчика, а вторая обкладка образована проводящей поверхностью, до которой измеряется расстояние.
Бесконтактные емкостные датчики обладают высокой чувствительностью, однако, практически не используются для измерения колебаний водной поверхности из-за их не большого динамического диапазона, что также делает невозможным их применение при наличии низкочастотных колебаний водной поверхности значительной амплитуды.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности измерения микровозмущений водной поверхности при наличии низкочастотных колебаний значительной амплитуды.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве в качестве датчика поверхностного волнения (возмущения) использован бесконтактный емкостной датчик, представляющий собой конденсатор, одна обкладка которого выполнена в виде пластины из проводящего материала (например, в виде металлического диска), а второй обкладкой является проводящая жидкость (например, вода), волнение (возмущение) поверхности которой измеряется, при этом пластина бесконтактного емкостного датчика закреплена на подвижной относительно поверхности жидкости штанге подъемно-опускного механизма, который обеспечивает поддержание постоянного заданного расстояния между пластиной датчика и поверхностью жидкости.
Предлагаемое устройство состоит из бесконтактного емкостного датчика поверхностного волнения (возмущения), представляющего собой конденсатор, одна обкладка которого выполнена в виде пластины из проводящего материала, а второй обкладкой является проводящая жидкость (например, вода), волнение (возмущение) поверхности которой измеряется, преобразователя емкости датчика в напряжение, усилителя-линеализатора, фильтра низкой частоты, сумматора, задатчика расстояния между пластиной датчика и поверхностью проводящей жидкости, подъемно-опускного механизма с подвижной относительно поверхности жидкости штангой, схемы управления подъемно-опускным механизмом.
В устройстве реализована цепь отрицательной обратной связи, позволяющая поддерживать постоянное расстояние между пластиной бесконтактного емкостного датчика и поверхностью проводящей жидкости.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлена блок-схема устройства и приняты следующие обозначения его составных частей:
1 - пластина бесконтактного емкостного датчика;
2 - преобразователь емкости датчика в напряжение;
3 - усилитель-линеализатор;
4 - фильтр низкой частоты;
5 - сумматор;
6 - задатчик расстояния между пластиной датчика и поверхностью жидкости;
7 - схема управления подъемно-опускным механизмом;
8 - подъемно-опускной механизм;
9 - штанга подъемно-опускного механизма.
Пластина 1 бесконтактного емкостного датчика жестко соединена со штангой 9 подъемно-опускного механизма 8. Емкость емкостного датчика обратно пропорциональна расстоянию между его пластиной 1 и поверхностью жидкости (водной поверхностью) и преобразуется преобразователем 2 в напряжение и усиливается усилителем-линеализатором 3, с выхода которого сигнал поступает на внешнее устройство (на фиг.1 - «Выход») для обработки информации о высокочастотном микроволнении поверхности жидкости (водной поверхности) и в фильтр низкой частоты 4, частота среза которого определяет максимальную частоту колебаний водной поверхности большой амплитуды, после которого сигнал поступает на первый вход сумматора 5. На второй вход сумматора 5 подается сигнал с задатчика 6 расстояния между пластиной датчика и водной поверхностью. С выхода сумматора 5 сигнал поступает на схему 7 управления подъемно-опускным механизмом 8. Подъемно-опускной механизм 8, управляемый схемой 7, перемещает штангу 9, которая соединена с пластиной 1 емкостного датчика, чем обеспечивает поддержание постоянного расстояния между ней и поверхностью жидкости, заданного задатчиком 6.
Таким образом, реализованная в устройстве цепь отрицательной обратной связи позволяет удерживать пластину бесконтактного емкостного датчика на заданном расстоянии от поверхности жидкости посредством отслеживания низкочастотных колебаний водной поверхности большой амплитуды, что, в свою очередь, позволяет бесконтактному емкостному датчику отслеживать высокочастотные микроколебания поверхности жидкости.
Технический эффект предложения заключается в возможности измерения высокочастотных микроколебаний водной поверхности при наличии низкочастотных возмущений большой амплитуды и может быть использовано, например, для определения корреляции между данными, полученными радиолокационными методами исследованиями водной поверхности и ее реальным состоянием.