ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО ВОЛНЕНИЯ

Полезная модель 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 или для определения уровня моря.
Известен малогабаритный волнограф, содержащий поплавок, подсоединенную верхним концом к торцу поплавка штангу, подвешенный к нижнему концу штанги дополнительный груз, датчик инфранизкочастотных виброперемещений, установленный в герметичной емкости на штанге, блок регистрации и индикации, вход которого связан через линию связи с выходом датчика, стабилизатор для сохранения вертикального положения, установленный в разъеме штанги, а соединение поплавка со штангой выполнено с возможностью угловых поворотов поплавка относительно штанги (п. №25089 U1, опубл. 10.09.2002).
Известен гидроакустический автономный волнограф для измерения и регистрации морского волнения методом импульсной эхолокации узконаправленным лучом в направлении от дна к поверхности воды. Волнограф содержит пьезокерамический излучатель коротких посылок несущей частоты, которые формируются генератором мощных импульсов. Отраженные от поверхности воды акустические посылки принимаются обратимым пьезокерамическим излучателем, преобразуются в цифровую форму и обрабатываются микропроцессорным анализатором, дополненным блоком корреляционной обработки (п. РФ №2484428, опубл. 10.06.13).
Известно устройство для измерения поверхностного волнения моря (п. РФ №96653 U1, опубл. 10.08.2010). Известное устройство состоит из чувствительного элемента в виде несущей трубы, в верхней части которой вертикально установлен емкостной датчик поверхностного волнения, который соединен с электронным измерительным блоком, находящимся в герметичном контейнере. Устройство снабжено поплавком, тросом, установленным в несущей трубе с возможностью регулирования его длины, а также якорем.
Однако, известное устройство имеет значительную температурную погрешность в связи с сильным влиянием температуры на диэлектрическую проницаемость воды. Для исключения данной погрешности необходимо дополнительно оснащать устройство температурным датчиком и иметь достаточно сложный алгоритм для расчетного устранения погрешности измерений. Кроме того, качка устройства при волнении водной поверхности приводит к погрешностям измерений. Емкостной датчик выполнен в виде двух протяженных электродов, разделенных зазором, поэтому данное устройство подвержено загрязнениям и обрастанию, и необходима его периодическая очистка. Это требует привлечения дополнительных ресурсов и приводит к снижению оперативности при работе с устройством.
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 (п. РФ №125336 U1, опубл. 27.02.2013). Один из вариантов измерителя состоит из корпуса, содержащего измерительный блок и электронный блок обработки данных, и чувствительного элемента в виде полой трубы, верхний конец которой находится в корпусе и соединен с держателем, который представляет собой рычаг, соединенный с измерительным блоком (датчиком силы). Сигналы датчика силы, посредством рычага соединенного с чувствительным элементом, поступают в электронный блок обработки данных.
К сожалению, динамический диапазон известного устройства, определяемый как силами трения в рычажном механизме, так и динамическим диапазоном аналогового усилителя, составляет, как правило, порядка 60 дБ для усилителей общепромышленного применения. В то же время, для регистрации, например, приливно-отливных волн в ряде районов земного шара с точностью 1 мм при высоте прилива 5 м необходимо устройство с динамическим диапазоном порядка 75 дБ, а при более высоких требованиях к точности, соответственно, еще больше. Такие явления, как штормовые волны или цунами также вызывают необходимость иметь больший динамический диапазон, чем указано выше.
Кроме ограничения динамического диапазона за счет сил трения в рычажном механизме, сам рычажный механизм усложняет конструкцию и снижает ее надежность.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента устройств для измерения поверхностного волнения.
Технический результат заявляемого устройства - увеличение динамического диапазона измерителя, повышение чувствительности, надежности и снижение стоимости механической части измерителя.
Поставленная задача решается измерителем поверхностного волнения, состоящим из корпуса, содержащего измерительный блок и электронный блок обработки данных, и чувствительного элемента в виде стержня верхний конец которого находится в корпусе и соединен с корпусом посредством держателя, при этом измерительный блок представляет собой лазерно-интерференционный измеритель перемещений, отражатель измерительного луча которого установлен на конце держателя, выполненного в виде работающей на изгиб балки, второй конец которой жестко соединен с корпусом.
Блок - схема заявляемого устройства приведена на Фиг., где 1 - чувствительный элемент, 2 - держатель, 3 - лазерно-интерференционный измеритель перемещений, 3.1 - отражатель, 4 - электронный блок обработки данных, 5 - корпус.
Лазерно-интерференционный измеритель перемещений выполняют по стандартной схеме оптического интерферометра, отражатель опорного луча которого встроен в корпус измерителя, а отражатель измерительного луча устанавливается на одном из концов держателя, второй конец которого жестко соединен с корпусом. Отражателями могут быть как плоские зеркала так и уголковые отражатели (триппель-призмы). В качестве источника излучения может быть использован любой приемлемый для решения поставленных задач лазерный источник, например, полупроводниковый лазерный модуль LCM-S-111. Чувствительный элемент может быть выполнен как полым, в виде трубы, так и литым.
Принцип работы измерителя поверхностного волнения основан на изменении веса чувствительного элемента (1), погруженного в жидкость на глубину h. Чувствительный элемент (1) удерживается от вертикальных перемещений путем соединения с держателем (2), который представляет собой балку, работающую на изгиб и жестко соединенную с корпусом (5). При этом на чувствительный элемент (1) действует сила веса P и выталкивающая сила Q, величина которой зависит от объема погруженной в жидкость части чувствительного элемента. Если чувствительный элемент (1) имеет площадь сечения S, то выталкивающая сила Q=ρ·h·S, где ρ - есть плотность жидкости. При этом на держатель (2) действует сила Z=(P-Q), вызывающая деформацию держателя (изгиб), характеризующуюся перемещением X конца держателя с закрепленным отражателем (3.1) вдоль оси, совпадающей с осью чувствительного элемента (1) выполненного в виде трубы. Величина деформации определяется как величиной силы Z, так и жесткостью держателя, в свою очередь, определяемой формой держателя и модулем упругости материала держателя, являющиеся в данном случае постоянными величинами. Таким образом, измеряя X, можно путем математических преобразований получить значение глубины погружения чувствительного элемента как
,
где k - коэффициент, связывающий силу Z и перемещение X конца держателя: X=kZ. Величина этого коэффициента определяется геометрическими параметрами держателя и модулем упругости материала, из которого держатель изготовлен.
-9
Работает устройство следующим образом. Корпус (5) закрепляется на неподвижном относительно дна водоема основании. Чувствительный элемент (1), представляющий стержень, расположенный вертикально, погружают в воду примерно до середины Для удобства изготовления, транспортировки, хранения чувствительный элемент (1) может быть выполнен разъемным. При прохождении волны в районе расположения чувствительного элемента меняется его заглубление h и соответственно выталкивающая сила Q, которая изменяет деформацию держателя и, соответственно, положение отражателя (3.1) относительно корпуса. Лазерно-интерференционный измеритель перемещения (3), размещаемый в корпусе (5) измеряет положение отражателя (3.1), закрепленного на держателе (2) относительно корпуса с высокой точностью, отслеживая интерференционную картину, возникающую при интерференции опорного и измерительного (показан на фиг. волнистой стрелкой) лучей. Оптическая схема такого измерителя может быть выполнена, например, по схеме интерферометра Майкельсона. При этом лазерный луч, генерируемый лазером, входящим в состав лазерного измерителя, расщепляется с помощью делительной пластины на 2 луча - опорный и измерительный. Для повышения точности измерений целесообразно использовать частотно-стабилизированный лазер. Измерительный луч направляется на отражатель 3.1, являющийся частью оптической системы измерителя, и отражается обратно в измеритель, где с помощью оптических элементов осуществляется сведение измерительного и опорного лучей с целью получения пространственной интерференционной картины. Яркость интерференционной картины зависит от разности хода между опорным и измерительным лучами, которая, в свою очередь, зависит от расстояния, проходимого измерительным лучом, и определяется величиной деформации держателя. Блок слежения, входящий в состав лазерного измерителя, удерживает яркость интерференционной картины на максимуме путем изменения расстояния, проходимого опорным лучом, что достигается с помощью смещения компенсационного зеркала, входящего в состав лазерного измерителя. При этом, когда возможности блока слежения оказываются исчерпанными, происходит скачкообразный переход на следующий максимум пространственной интерференционной картины и изменение счетчика максимумов на единицу. С помощью такой системы снимается ограничение динамического диапазона, вносимое в устройствах с иными принципами функционирования - динамический диапазон лазерных измерителей перемещения ограничивается только емкостью счетчика электронного блока слежения. Выходной сигнал измерителя перемещения поступает в электронный блок (4), предназначенный для вычисления глубины погружения чувствительного элемента (1) по представленному выше алгоритму и хранения полученной информации, либо для передачи ее потребителю в реальном масштабе времени. Следует отметить, что за счет использования оптических лучей с длиной волны порядка сотен нм, лазерно-интерференционные измерители перемещений характеризуются высокой чувствительностью и позволяют измерять перемещения с точностью порядка 10 м, и имеют динамический диапазон, в данном случае практически неограниченный со стороны электронных устройств. Таким образом, данный измеритель волнения позволяет измерять параметры волнения и динамический диапазон его ограничивается сверху лишь размерами (длиной) чувствительного элемента, а снизу определяется упругостью держателя.
Таким образом, заявляемый измеритель поверхностного волнения позволяет измерять параметры поверхностного волнения, а его динамический диапазон ограничивается сверху лишь размерами (длиной) чувствительного элемента, а снизу определяется упругостью держателя.