Оптический струнный волнограф
OPTICAL STRING WAVE METER

Изобретение относится к области гидрометрии и океанографии, методам измерения высоты границы раздела между жидкостью и воздухом, методам измерения уклонов поверхности раздела, например, измерению высоты волнения, спектра волнения, спектра уклонов.
Известен способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость с помощью вертикальной рейки с метками высоты, погруженной в жидкость [1]. Однако этот метод имеет невысокую точность, поскольку суммирует высоту на всем сечении рейки, в нем плохо различается граница раздела для прозрачной жидкости, и этот метод не регистрирует уклоны поверхности. Другим способом является измерение углового положения бликов солнца, отраженных от поверхности с высоты самолета [2]. Но в нем невозможно измерения отражений от капиллярных или коротких гравитационных волн. Возможны измерения уклонов по отраженному лазерному излучению [3]. Недостатком этого способа является уход блика из апертуры приемной системы при даже небольших уклонах, что не позволяет измерять уклоны уже при умеренном волнении.
Наиболее близким аналогом является способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость и уклонов поверхности с помощью струнного волнографа [4, 5]. В нем измеряют электрическое сопротивление вертикально расположенных струн, частично погруженных в жидкость. При изменении уровня жидкости сопротивление погруженной части струны уменьшается, и по общему сопротивлению каждой струны определяют высоту границы раздела. Недостатком метода является невысокая точность измерений из-за изменения сопротивления струны при ее смачивании, за счет осаждения солей не струне и электроде, за счет флуктуаций сопротивления жидкости, из-за емкостных свойств электрической цепи [5].
Технический результат предложенного способа заключается в повышении точности измерений за счет исключения электрических измерений и оптической регистрации уровня жидкости с высокой точностью.
На фиг. 1 показана схема оптических измерений уровня жидкости. Набор светодиодов освещает каждую струну и формирует отраженный блик на мениске на границе жидкость-воздух. Положение блика регистрируется на матрице фотоприемников с частотой работы видеокамеры.
Фотография бликов на двух близко расположенных струнах представлена на фиг. 2. Блики перемещаются вдоль струн совместно с уровнем жидкости.
Зависимость высоты уровня жидкости (положения блика) от времени для первой струны представлена на фигуре 3. Частота измерений равна 30 Гц (частоте кадров в видеокамере).
На фиг. 4 представлена зависимость уклонов поверхности при расстоянии между струнами равном 30 мм.
Гидрофильная струна, опущенная в жидкость, на поверхности жидкости всегда формирует мениск, который обладает тем свойством, что от него отражаются все источники света, расположенные над поверхностью жидкости. При освещении мениска ярким локальным источником света на нем формируется яркий блик, который можно регистрировать на матрицу фотоприемников, фиг. 1. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, мениск перемещается вдоль струны вместе с уровнем жидкости, а вместе с ним перемещается и блик отраженного света. Регистрация положения блика на цифровой матрице фотоприемников во времени позволяет измерять зависимость высоты уровня жидкости во времени. Метод является оптическим, поэтому в нем отсутствуют недостатки электрического струнного волнографа: изменение сопротивления струны при ее смачивании, осаждение солей не струне и электроде и связанное с этим изменение электрических свойств, флуктуации сопротивления жидкости.
Если рядом расположить несколько струн, то будет регистрироваться уровень в соседних точках, что позволит регистрировать уклоны поверхности на различных пространственных масштабах, фиг. 2. Предложенный метод не использует электрические сигналы, поэтому рядом можно расположить несколько струн, которые не будут влиять друг на друга. Для регистрации уклонов поверхности жидкости в ортогональных направлениях струны можно расположить в виде двух перпендикулярно расположенных рядов. Размер блика имеет масштаб менее 1 миллиметра, поэтому точность предложенного оптического способа измерения уровня жидкости имеет сравнимый масштаб. Это позволяет располагать две или большее количество струн близко друг от друга и измерять уклоны поверхности на малых масштабах, что недоступно при использовании электрических струнных волнографов.
Пример реализации способа заключается в освещении вертикально расположенных струн светодиодом и регистрации отраженных бликов света на видеокамеру. Схема измерений представлена на фиг. 1. На фиг. 2 проведена фотография бликов, отраженных от менисков которые зарегистрировались на каждом видеокадре. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, мениски перемещались вдоль струн вместе с уровнем жидкости, а вместе с ним перемещались и блики отраженного света. Регистрация положения бликов во времени на цифровых изображениях видеокамеры позволила измерить зависимость высоты уровня жидкости в точках расположения струн во времени (фиг. 3) и, при известном расстоянии между струнами, позволило получить уклоны и их изменение во времени, фиг. 4. Для калибровки изображений видеокамеры по высоте несколько кадров камеры выполнены, когда рядом со струной располагалась линейка.
Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Литература
1. Коровин В.П., Чверткин Е.И. Морская гидрометрия. Л. Гидрометеоиздат, 1988.
2. Сох С., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter, J. Optical. Soc. America, 1954, Vol. 44, No. 11, pp. 838-850.
3. Запевалов A.C. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения // Дисс. …докт. физ.-мат. наук. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2008. 290 с.
4. Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. - Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976.
5. Авторское свидетельство СССР №271829, МКИ G01C 13/00. Волнограф. Б.А. Максимов, В.М. Фетисов. - Заявлено 18.09.1968. Опубл. 26.05.1970.
6. Антонов B.C., Садовский И.Н. Измеритель волнения морской поверхности ИВМП-1: описание устройства и данные измерений натурного эксперимента CAPMOS'05. - М. - 2007. - 38 с.