Двухэлектродный струнный лабораторный волнограф Российский патент 2024 года по МПК G01F23/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации амплитудных и временных параметров волн, возникающих в результате моделирования прорыва водой макетов плотин в маломасштабных лабораторных установках и регистрации волновых колебаний воды с высотой волны до 1 метра.

Известно, что для непрерывной записи профиля волн используются струнные (резистивные) волнографы. Датчиками этих волнографов являются неокисляемая в воде проволока [1].

Известно устройство для измерения и регистрации высоты и среднего периода волн, описанное в патенте SU № 120342, МПК G01C 13/00, опубл. 01.01.1959 [2], с волномерной вехой. На вехе укреплены электроды, расположенные по вертикали на заданном расстоянии один от другого, соединенные между собой резисторами и подключаемые к источнику постоянного тока через быстродействующий самописец с поперечной штриховой записью. При замыкании резисторов водой изменяется сопротивление и ток измерительной цепи.

Однако, замыкание вертикально расположенных резисторов, изменяющимся уровнем воды, приводит к скачкообразному изменению тока в измерительной цепи и как следствие к ступенчатой записи формы сигналов на регистрирующее устройство. При такой записи формы сигналов возникают существенные погрешности в определении параметров волновых колебаний.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является описанный в патенте RU №2387956, МПК G01F 23/00, G01C 13/00, опубл. 27.04.2010 [3]. «Способ измерения волновых колебаний на открытой водной поверхности». Прототип содержит, в частности, два электрода погружаемых в воду, причем один из них - электрод сравнения, полностью погружается в воду, а другой измерительный электрод устанавливается так, чтобы он пересекал поверхность воды при всех измеряемых амплитудах изменения уровня воды. В качестве измеряемого сигнала используют величину гальванического тока, который возникает из-за гальванической разности потенциалов электродов помещенных в воду. Величина этого тока меняется в зависимости от высоты водной поверхности в месте установки измерительного электрода. В измерительную цепь включен микроамперметр для определения значений гальванического тока. По величине этого тока определяют амплитуды и периоды волн на поверхности воды.

Однако, на измерения значений гальванического тока существенно влияют внешние электромагнитные помехи из-за наведения электродвижущей силы в измерительных цепях. При увеличении длины измерительных линий возрастает их активное сопротивление, что приводит к уменьшению значения гальванического тока в цепи измерения, и как следствие к увеличению погрешности измерения параметров волны на водной поверхности.

Технической проблемой, которая не решена при использовании аналогов изобретения, является измерение параметров волн прорыва в маломасштабных лабораторных установках, где высоту волн необходимо измерять на значительном удалении регистрирующей аппаратуры от объекта исследований.

Не менее важной технической проблемой стало создание такого волнографа, первичные преобразователи которого не создавали бы турбулентный след в воде, влияющий на характер размыва модели плотины. Для решения этих технических проблем предлагается использовать двухэлектродный струнный лабораторный волнограф.

Сущность предполагаемого изобретения как технического решения состоит в том, что при помещении двухэлектродного струнного волнографа (далее волнографа) в воду, из-за действия электрического поля в воде, между струнами волнографа возникает электрический ток, величина которого зависит от площади соприкосновения электродов (струн) с водой и от расстояния между ними.

Изменение величины электрического тока в электрической цепи приводит к изменению значений электрического напряжения на резисторе, который включен последовательно в цепь между плюсовой клеммой источника питания постоянного напряжения и погруженными в воду струнами. Напряжение со струн волнографа с помощью коаксиального кабеля поступает на вход регистрирующего устройства. Расстояние между струнами линейно уменьшается по высоте, что позволило увеличить изменение регистрируемого напряжения в 1,3... 1,4 раза (в сравнении с параллельно расположенными струнами), а это в свою очередь повышает точность измерений.

Новым существенным признаком изобретения является использование в качестве измеряемого сигнала величину изменения электрического напряжения, возникающего между погруженными в воду металлическими струнами (электродами), расстояние между которыми линейно уменьшается по высоте, включенными в предлагаемую электрическую схему.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение достоверности регистрации волновых колебаний воды в маломасштабных лабораторных установках. Волнограф прост в исполнении и эксплуатации.

При проведении исследовательских работ с использованием двухэлектродного струнного волнографа напряжение от блока питания, подаваемое на струны, может быть выбрано в пределах 1..12В, что расширяет технические возможности по применению струнного волнографа.

Устройство волнографа изображено на фиг. 1. Волнограф состоит из двух металлических неокисляемых струн 1 диаметром 0,3 мм, которые механически закреплены по краям прямоугольных диэлектрических пластин 2, длиной 80 мм, шириной 60 мм и толщиной 5 мм. Диэлектрические пластины с помощью металлического уголка соединены с рейкой 3 высотой 1 м.

на верхней диэлектрической пластине это расстояние равно 2 мм. Расстояние между плоскостью струн и рейкой равно 80 мм (выбрано с целью исключения влияния турбулентных потоков воды вокруг струн волнографа).

Электрическая схема измерительного тракта с использованием волнографа представлена на фиг. 2. Струны волнографа 8 подключены к источнику питания постоянного напряжения 4. В электрическую цепь между плюсовой клеммой источника питания и одним из электродов волнографа установлен резистор 6 номиналом 0,2 кОм. К электродам волнографа, подсоединен коаксиальный кабель 7. Изменение амплитуды напряжения во времени записывается на регистрирующее устройство 5. При проведении экспериментальных работ в качестве регистратора использовался цифровой запоминающий осциллограф Tektronix TDS 3014 С с входом по постоянному току и запрограммированной инверсией сигнала.

Для измерения волновых колебаний поверхности воды волнограф устанавливается вертикально и таким образом, чтобы распространяющиеся по водной поверхности волны пересекали перпендикулярно вдоль плоскости струн. Волнографы могут быть использованы на практике для определения параметров волн в случае моделирования прорыва водой макетов плотин и волновых колебаний акватории с высотой волны в диапазоне от 0,005 до 1 метра, возникающих в воде от различных источников возмущения.

Перед проведением исследовательских работ с применением волнографов необходимо проводить тарировку измерительных трактов с целью определения зависимости напряжения на выходе волнографов U, от высоты уровня воды Н, замыкающих струны волнографов. На фиг. 3 представлен график тарировки волнографа. По графику видно, что зависимость не линейна и подчиняется следующей аналитической формуле:

которая в свою очередь используется для обработки эпюр напряжения с помощью специализированного программного обеспечения.

Действующие образцы двухэлектродных струнных лабораторных шнографов изготовлены и эксплуатируются в НИЦ БТС 12 ЦНИИ МО РФ. иповая эпюра напряжения, возникающего от волны прорыва при проведении сспериментальных работ изображена на фиг. 4.

Список используемых источников

1. В. П. Коровин, Океанологические наблюдения в прибрежной зоне моря. - РГГМУ, Спб - 2007. - 434 с.

2. Устройство для измерения и регистрации высоты и среднего периода волн, патент на изобретение SU №. 120342, МПК G01C 13/00, опубл. 01.01.1959.

3. Способ измерения волновых колебаний на открытой водной поверхности, патент на изобретение RU №2387956, МПК G01F 23/00, G01C 13/00, опубл. 27.04.2010.

Использование: для измерения амплитудных и временных параметров волн, возникающих в результате моделирования прорыва водой макетов плотин в маломасштабных лабораторных установках. Сущность изобретения заключается в том, что двухэлектродный струнный лабораторный волнограф выполнен из двух неокисляемых металлических струн, закрепленных на диэлектрическом основании, является первичным преобразователем для измерения высоты волны, включает источник питания постоянного напряжения, резистор и регистрирующее устройство, при этом волнограф устанавливается вертикально в воду плоскостью струн перпендикулярно вдоль фронта распространения волн, а расстояние между струнами линейно уменьшается по высоте, причем в качестве измеряемого сигнала используют изменение электрического напряжения, возникающего на струнах, погруженных в воду. Технический результат: повышение точности определения параметров волн. 4 ил.

Двухэлектродный струнный лабораторный волнограф, выполненный из двух неокисляемых металлических струн, закрепленных на диэлектрическом основании, являющийся первичным преобразователем для измерения высоты волны, включающий источник питания постоянного напряжения, резистор и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что устанавливается вертикально в воду плоскостью струн перпендикулярно вдоль фронта распространения волн, а расстояние между струнами линейно уменьшается по высоте, характеризующийся тем, что в качестве измеряемого сигнала используют изменение электрического напряжения, возникающего на струнах, погруженных в воду.