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, путем фильтрации полученных результатов, для определения уровня 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 (п РФ №96653, 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.
К сожалению, 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.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента измерителей поверхностного волнения жидкостей.
Технический результат заявляемого устройства - повышение точности измерений, снижение температурной погрешности, конструктивная простота и удобство эксплуатации.
Поставленная задача решается измерителем поверхностного волнения, состоящим из корпуса, содержащего последовательно соединенные между собой рычаг, датчик силы, и электронный блок обработки данных, а также чувствительного элемента в виде стержня, верхний конец которого находится в корпусе и соединен с датчиком силы посредством рычага.
Принципиальная схема заявляемого устройства представлена на фиг., где
1 - чувствительный элемент, 2 - рычаг, 3 - датчик силы, 4 - электронный блок обработки данных, 5 - корпус.
Принцип работы измерителя поверхностного волнения основан на измерении веса чувствительного элемента(1), погруженного в жидкость на глубину h, то есть на определении высоты волны в текущий момент времени и, соответственно уровня воды как функции времени.
Чувствительный элемент (1) удерживается от вертикальных перемещений путем соединения с рычагом (2), который может качаться вокруг точки А и имеет плечи длиной X и Y. При этом на чувствительный элемент (1) действует сила веса Р 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 h глубина погружения чувствительного элемента, а ρ - есть плотность жидкости. Датчик силы (3), соединенный с чувствительным элементом (1) посредством рычага (2) измеряет силу Z=(P-Q)*(X/Y). Таким образом, измеряя силу Z, можно путем математических преобразований получить значение глубины погружения чувствительного элемента как
h=(Y*Z-P*X)/(X*ρ*S)
Чувствительный элемент (1), представляет собой стержень, выполненный, например в виде полой трубы, расположенной вертикально, нижний конец которой опущен в воду, а верхний, посредством рычага (2), соединен с датчиком силы (3).. Для удобства изготовления, транспортировки, хранения чувствительный элемент (1) может быть выполнен разъемным.
В качестве датчика силы (3) используют датчики веса, например весовой тензометрический, датчик SLS410.
Электронный блок обработки данных (4) предназначен для получения информации об уровне водной поверхности.. Блок (4) содержит источник питания, аналоговый усилитель для датчика силы и процессор со встроенным АЦП для преобразования аналоговой информации в цифровую, например, Atmegal6, и может быть выполнен с использованием блока накопления и хранения в памяти оцифрованных данных, представляющего жесткий диск или флеш-память, либо в виде системы передачи информации в виде цифровых кодов по кабелю на береговой пост удаленному потребителю. Это позволяет использовать полученную информацию в реальном времени и решает задачу оперативности заявляемого устройства.
В качестве усилителя для датчика силы используют, например усилитель INA118.
Конкретная аппаратурная реализация электронного блока обработки данных (4) зависит от поставленной задачи эксперимента и требуемой точности.
Электронный блок обработки данных (4) заявляемого устройства размещен в корпусе (5).
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Устройство закрепляют корпусом на неподвижном основании, например на пирсе, при этом чувствительный элемент (1) погружается в воду. Соотношение погруженной и не погруженной частей изменяется в зависимости от изменений уровня воды в данной точке, так как расстояние корпуса от дна есть величина постоянная. При заглублении чувствительного элемента (1), изменяется баланс сил веса и сил плавучести чувствительного элемента (1), изменяется сила, приложенная к левому концу рычага (2), что вызывает изменение силы, прикладываемой правым концом рычага (2) к датчику силы (3), сигнал от которого поступает в электронный блок обработки данных (4), который усиливает принятый от датчика силы (3) аналоговый сигнал и осуществляет его преобразование в цифровой код, содержащий данные об уровне водной поверхности, которые могут либо хранится в памяти электронного блока обработки данных (4), либо в цифровом виде передается по кабелю на береговой пост потребителю информации в реальном масштабе времени.
Таким образом, конструктивное выполнение заявляемого устройства, приводит к повышению точности измерений за счет снижения зависимости показаний прибора от температуры жидкости, позволяет оперативно получать результаты измерений в реальном времени, обладает конструктивной простотой, а также удобно в эксплуатации.