Струнный волнограф с инфракрасной регистрацией длины струн
STRING WAVE FINDER WITH INFRARED RECORDING OF STRING LENGTH

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]. 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 и водорослей на 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 на каждой струне с высокой точностью в инфракрасном диапазоне длин волн. Метод позволяет располагать струны на расстоянии менее 1 см, что недоступно при электрических измерениях.
Для достижения технического результата в предложенном способе струны, пересекающие границу раздела вода-воздух, освещают инфракрасным источником света, а высоту погружения каждой струны в жидкость регистрируют на матрице инфракрасного фотоприемника по положению границы раздела на струнах.
На фиг. 1 показана схема оптических измерений уровня взволнованной поверхности жидкости 1. Набор инфракрасных светодиодов 2 освещает вертикально расположенные струны 3, которые светятся выше границы жидкость-воздух и являются темными ниже этой границы. Длины струн регистрируются на матрице фотоприемников с частотой работы видеокамеры 4.
На фиг. 2 представлен видеокадр, выполненный в инфракрасном режиме при освещении трех близко расположенных струн на длине волны 940 нм. Светлая часть струн находится в воздухе, а границы перемещаются вдоль струн совместно с уровнем жидкости.
Если вертикально расположенную струну освещать инфракрасным светом и регистрировать ее изображение на видеокамеру, которая настроена на ту же длину волны, то надводная часть струны будет ярко освещена, в то время как подводная часть будет намного темнее фиг. 1. Это связано с поглощением инфракрасного излучения водой. На матрице фотоприемников отчетливо видна граница раздела воды и воздуха, которая может регистрироваться с точностью до разрешения матрицы, т.е. с точностью в 0,1 мм. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, граница перемещается вдоль струны вместе с уровнем жидкости. Регистрация положения границы раздела 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 и водорослей на струне и электроде и связанное с этим изменение электрических свойств, флуктуации сопротивления жидкости. При использовании интерференционного фильтра на видеокамере и освещения струн в полосе частот фильтра измерения можно проводить как в ночное, так и в дневное время.
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. Точность предложенного оптического способа измерения уровня жидкости имеет масштаб менее 1 миллиметра. 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 поверхности раздела (1) и вертикально расположенных струн (3), фиг. 1, матрицей инфракрасных светодиодов (2), излучающих на длине волны 940 нанометров, и регистрации изображения струн на видеокамеру (4), которая имеет инфракрасный фильтр. На фиг. 2 проведена видеокадр изображения струн, на которых четко регистрируется граница раздела вода-воздух. Регистрация высоты освещенной части струн во времени на цифровых изображениях видеокамеры позволила измерить зависимость высоты уровня жидкости в точках расположения струн во времени и, при известном расстоянии между струнами, позволила получить уклоны на различных пространственных масштабах и их изменение во времени.
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. 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.