УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ
DEVICE TO MEASURE WATER LEVEL

Изобретение предназначено для определения статических и динамических (волновых) процессов на поверхности воды. Его можно использовать, в частности, для анализа волн на водной поверхности при изучении характеристик гидродинамического обтекания плавучих средств, законов формирования волн в природных водоемах и на исследовательских стендах.
Известен ряд аналогичных устройств для измерения уровня жидкости. Например, в аналоге [1] - «Устройство для измерения уровня жидкости» (Патент US №5001928) уровень жидкости регистрируется с использованием тепловыделяющего резистора, запитанного постоянным током и погруженного в воду. При повышении уровня жидкости теплоотдача резистора возрастает, он охлаждается, а его сопротивление снижается, что используется при формировании выходного сигнала датчика. Недостаток данного аналога состоит в ограничении быстродействия из-за инерционности процессов теплопередачи. Также известен аналог [2] - «Устройство для измерения уровня жидкости» (RU №2029919), в котором источник гармонических колебаний возбуждает резонансные колебания механической системы, частично погруженной вглубь воды. Глубина погружения соответствует измеряемому уровню воды. По резонансной частоте с использованием известной градуировки формируют выходной сигнал устройства. Недостаток данного аналога состоит в ограничении быстродействия из-за инерционности метода, а также в снижении точности из-за искажения формы измеряемых волн, порожденного вибрацией механической системы.
Также известен аналог [3] - устройство, реализующее «Способ измерения волновых колебаний на открытой водной поверхности» (RU №2387956), которое содержит 2 электрода, погруженных в воду. Один из электродов - измерительный, установлен так, чтобы он пересекал поверхность воды при всех измеряемых амплитудах изменения уровня воды. Второй, т.н. электрод сравнения полностью погружен в воду. Указанные электроды изготовлены из проводящих материалов с большой разницей химических потенциалов. В качестве измеряемого сигнала используют величину гальванического тока, протекающего между электрически соединенными электродами через регистрирующее устройство, которое и формирует выходной сигнал устройства-аналога. Недостаток устройства состоит в снижении чувствительности, поскольку величина гальванического тока и его изменение достаточно малы. Так, величина тока гальванической пары составляла порядка 100 мкА, чувствительность датчика уровня прототипа - 2 мкА/см. Соответственно, реализация метода требует высоких затрат, связанных с привлечением специального дорогостоящего оборудования для обеспечения необходимой помехоустойчивости устройства.
Наиболее близким к заявляемому является принятое в качестве прототипа устройство [4] - «Волнограф прибрежный ГМ-61» (Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976, стр.208-209). Прибор состоит из проволочного датчика с линией связи, генератора звуковой частоты для питания датчика через сопротивление нагрузки, измерительной схемы (в виде выпрямителя-удвоителя) и регистратора. В качестве датчика, преобразующего волновые колебаний в электрическую величину, применяется высокоомная безокисная нихромовая проволока, подвешиваемая с концевым грузом, которая погружается в воду на половину своей длины. С помощью АЦП данные прибора могут фиксироваться регистрирующим блоком и вводиться в ЭВМ судна. Конструктивно элементы блок-схемы, кроме регистратора и датчика, смонтированы в измерительном блоке. Однако характеристики данного устройства недостаточны для целей исследования закономерностей волновых процессов. Порог чувствительности по амплитуде 5 см, по времени - 0.4 с.
Повышение указанных характеристик до необходимого уровня, очевидно, сопряжено с существенными материальными вложениями.
Итак, недостаток известных устройств состоит в
- снижении амплитудной чувствительности;
- снижении разрешающей способности в частотной и временной областях;
- повышении стоимости реализации.
Указанные недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве, схема которого приведена на фиг.1. Оно содержит генератор в.ч. сигнала 1, резистор 2, датчик уровня 3, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, фильтр нижних частот (ФНЧ) 8, блок смещения потенциала 9 и блок формирования выходного сигнала 10, причем генератор в.ч. сигнала 1 соединен с последовательно включенными резистором 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком формирования выходного сигнала 10, а вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора 2 и полупроводникового диода 7, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине 11, а нижние концы обоих электродов 4 и 5 погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности. Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с расстоянием d между ними d<0.2Δl, где l - требуемое пространственное разрешение устройства.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц с краевым углом смачивания в диапазоне 60°<θ<120°.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц круглого сечения.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых тонких плоских спиц, обращенных друг к другу своими плоскостями.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых спиц радиуса r с выполнением условия d/r=const.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью их совместного перемещения вдоль общей оси электродов.
Кроме того, первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними в держателе 6 из диэлектрического материала.
Кроме того, держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг общей оси электродов 5 и 6.
Кроме того, держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной общей оси электродов 5 и 6.
Кроме того, датчик уровня 3, содержит n пар электродов из проводящего материала, установленных компланарно на заданном расстоянии L друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
3
г
Генератор 1 формирует высокочастотное напряжение (порядка 100 кГц), приложенное к цепочке последовательно соединенных сопротивлений - резистора 2 и сопротивления R датчика 3, включенного между выходом резистора 2 и заземленной шиной 11, образующих делитель сигнала генератора U. Амплитуда выходного сигнала этого делителя определяется выражением
вых
3
0
0
Сигнал с выхода этого делителя поступает на последовательно соединенные диод 7 и фильтр низких частот (ФНЧ) 8, на выходе которого выделяется огибающая сигнала U. Сопротивление R=R+r(t), где R - сопротивление датчика 3 в отсутствие сигнала: r(t)=0. Проведенный анализ характеристик устройства показал, что его чувствительность максимальна при условии
с учетом которого выражение (1) приводится к виду
9вых
9вх
9вых
9вx
Блок смещения потенциала 9 вводит добавку потенциала - смещает значение потенциала на его выходе U относительно входного U на величину ΔU=U-U, которую выбирают следующим образом:
Последнее равенство с учетом (2) приводится к виду
Вычисляя разность выражений (3) и (4), получим вид сигнала на выходе устройства
1
Таким образом, выходной сигнал устройства имеет вид, пропорциональный (при условии r(t)<<R) форме измеряемого колебания. Это обеспечивает оптимальные условия для его обработки (преимущественно, цифровой) в блоке 10 формирования выходного сигнала. При этом недостатки прототипа преодолеваются - в предлагаемом устройстве обеспечивается повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышается функциональная гибкость. Кроме того, простота реализации обеспечивает повышенную надежность и экономическую эффективность устройства.
Далее покажем, что существенные признаки предлагаемого устройства действительно обеспечивают требуемый технический результат.
То, что устройство содержит генератор в.ч. сигнала 1, резистор 2, датчик уровня 3, содержащий, по крайней мере, одну пару - первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала, установленные на заданном расстоянии d друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, полупроводниковый диод 7, ФНЧ 8, блок смещения потенциала 9 и блок формирования выходного сигнала 10, причем генератор в.ч. сигнала 1 соединен с последовательно включенными резистором 2, полупроводниковым диодом 7, ФНЧ 8, блоком смещения потенциала 9 и блоком формирования выходного сигнала 10, а вывод от верхнего конца первого электрода подключен к общему выводу резистора 2 и полупроводникового диода 7, вывод от верхнего конца второго электрода - к земляной шине 11, а нижние концы обоих электродов 4 и 5 погружены ниже уровня измеряемой водной поверхности, действительно обеспечивает:
- простоту реализации устройства, как видно из принципиальной схемы предлагаемого устройства (фиг.2). Следствием этого является снижение стоимости и повышение надежности работы устройства;
- высокую пространственную разрешающую способность с учетом малого радиуса электродов (доли миллиметра);
- отсутствие повышенных требований к средствам обработки выходного сигнала датчика 3, поскольку чувствительность датчика 3 в составе устройства достаточно высока (35 мВ/мм). Этим определяется и высокая помехоустойчивость устройства;
- высокую временную (частотную) разрешающую способность, с учетом того, что принцип работы устройства не предполагает использования инерционных элементов при формировании выходного сигнала.
То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц и установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с расстоянием d между ними d<0.2Δl, где Δl - требуемое пространственное разрешение устройства, гарантирует снятие достаточного количества независимых замеров на интервале корреляции измеряемого волнового процесса и обеспечивает требуемую разрешающую способность устройства в пространственной области.
То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц с краевым углом смачивания в диапазоне 60°<θ<120°, минимизирует влияние процессов смачивания-несмачивания на обеспечение требуемой разрешающей способности устройства.
То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде тонких прямых спиц круглого сечения, обеспечивает возможность применения стандартных серийно выпускаемых материалов и снижает стоимость реализации и качество изготовления устройства.
То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых тонких плоских спиц, обращенных друг к другу своими плоскостями, снижает гидродинамическое сопротивление, а следовательно, влияние электродов на измеряемые волновые процессы и повышает точность измерений;
3
То, что первый 4 и второй 5 электроды изготовлены в виде прямых спиц радиуса r, с выполнением условия d/r=const, обеспечивает постоянство омического сопротивления R датчика 3, определяемого известным соотношением:
где σ - электропроводность воды, L - длина погруженной в воду части электродов. При этом сохраняются режимы работы регистрирующей схемы и соблюдается номинальный режим ее работы.
То, что первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью их совместного перемещения вдоль общей оси электродов, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет легко перестраивать его на измерение амплитуды волн в широком диапазоне значений.
То, что первый 4 и второй 5 электроды из проводящего материала установлены в держателе 6 из диэлектрического материала с возможностью изменения расстояния d между ними в держателе 6 из диэлектрического материала, также обеспечивает функциональную гибкость устройства - позволяет легко перестраивать его при измерении амплитуды волн в широком диапазоне значений электропроводности воды, при условии сохранения сопротивления датчика 3 с учетом соотношения (5), повышает надежность измерений с применением стандартных режимов обработки сигнала.
То, что держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг общей оси электродов 4 и 5, обеспечивает возможность ориентации электродов оптимальным образом по отношению к фронту набегающей волны.
То, что держатель 6 из диэлектрического материала изготовлен с возможностью его поворота вокруг оси, перпендикулярной общей оси электродов 5 и 6, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет легко перестраивать уровень заглубления электродов путем поворота держателя 6 из диэлектрического материала вокруг горизонтальной оси.
0
То, что датчик уровня 3 содержит n пар электродов из проводящего материала, установленных компланарно на заданном расстоянии L друг от друга в держателе 6 из диэлектрического материала, обеспечивает функциональную гибкость устройства, позволяет получать дополнительную информацию о поперечном профиле измеряемых волн определять степень деформации фронта набегающей волны.
Как следует из вышеприведенного анализа, требуемый технический результат (повышенная разрешающая способность по времени, частоте и амплитуде измеряемых физических величин, повышенная функциональная гибкость, простота реализации, повышенная надежность и экономическая эффективность устройства) достигается за счет существенных отличий предлагаемого. Принципиальная схема реализованного предлагаемого устройства приведена на фиг.2, его градуировочный график - на фиг.3. Как следует из приведенных экспериментальных данных, порог чувствительности предлагаемого устройства лежит в диапазоне:
-5
- по амплитуде не хуже 10 B при чувствительности регистратора-вольтметра 0.3 мВ,
-4
- во временной области 10 с и в пространственной области 0.3 мм при диаметре электродов 0.1 мм и скорости волн 1 м/с.
Таким образом, проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого изобретения.