Устройство для измерения параметров отдельных капель воды в облаке капель Российский патент 2024 года по МПК G01N15/205 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройству для измерения параметров отдельных капель воды (размера отдельных водяных капель в облаке капель и их распределение в облаке капель по высоте и удаленности от устройства) в облаке капель при столкновении с подвижным или неподвижным объектом, в частности, капель в составе облака капель, образующихся при соударении морских волн о стационарное или подвижное препятствие (элементы обустройства портовых и прибрежных сооружений, морские суда, морские платформы), а также облака капель, образующихся в атмосфере при соударении с летательным аппаратом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники заявителем не выявлены близкие аналоги.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка устройства, позволяющего осуществлять определение размера отдельных водяных капель в облаке капель, а также их распределение в облаке капель по высоте и удаленности от устройства на основе значений координат по оси абсцисс и оси ординат до устройства одиночных капель воды, перемещающихся в составе облака водяных капель.

Техническим результатом изобретения является возможность определения размера отдельных водяных капель в облаке капель и их распределение в облаке капель по высоте и удаленности от устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения параметров отдельных капель воды в облаке капель, содержащее крышку и основание, между которыми закреплен металлический каркас, цилиндрический прозрачный экран и защитный внешний кожух, при этом цилиндрический прозрачный экран расположен между металлическим каркасом и защитным внешним кожухом и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, а на внешней поверхности защитного внешнего кожуха выполнена смотровая щель, оборудованная подвижной пластиной, причем по всей длине внутренней поверхности защитного внешнего кожуха установлена водосборная пластина, а на металлическом каркасе установлен линейный оптический сканер, расположенный перед водосборной пластиной.

Устройство оснащено внешними видеокамерами машинного зрения и экранами с нанесенными калибровочными маркерами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - Общий вид устройства.

Фиг. 2 - Общий вид устройства с секционным вырезом.

Фиг. 3 - Сечения по высоте устройства: а) сечение А-А, Ь) сечение Б-Б, с) сечение В-В, d) сечение Г-Г, е) сечение Д-Д.

Фиг. 4 - Общий вид устройства, с установленными внешними видеокамерами машинного зрения и экраны с нанесенными калибровочными маркерами.

1 - крышка; 2 - сигнальный светодиод; 3 - микроконтроллер; 4 -электродвигатель; 5 - основание; 6 - прозрачный цилиндрический экран; 7 - линейный оптический сканер; 8 - металлический каркас; 9 - смотровая щель; 10 - водосборная пластина; 11 - отверстия для слива воды из внутренней части устройства; 12 -подшипник качения; 13 - защитный внешний кожух; 14 - электронные модули; 15 -стальная монтажная пластина; 16 - преобразователь переменного электрического тока в постоянный (преобразователь AC/DC); 17 - подшипник качения большого диаметра; 18 - отверстие для вывода кабелей питания и управления; 19 - внешняя видеокамера машинного зрения; 20 - экран с нанесенными калибровочными маркерами; 21 - штанга крепления оборудования; 22 - подвижная пластина; 23 - неподвижная пластина.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для измерения параметров отдельных капель воды в облаке капель, содержащее крышку (1) и основание (5), между которыми закреплен металлический каркас (8), цилиндрический прозрачный экран (6) и защитный внешний кожух (14).

При этом цилиндрический прозрачный экран (6) оснащен круглыми верхними и нижними площадками-основаниями, причем на нижней и верхней площадках-основаниях выполнены отверстия, позволяющие надевать экран поверх металлического каркаса (8) таким образом, что цилиндрический прозрачный экран (6) расположен между металлическим каркасом (8) и защитным внешним кожухом (14). Нижняя площадка-основание цилиндрического прозрачного экрана (6) установлена на подшипник качения (12) основания (5), а верхняя площадка-основание - на подшипник качения (18) крышки, имеющий больший диаметр, что позволяет цилиндрическому прозрачному экрану (6) осуществлять вращения вокруг вертикальной оси.

На внешней поверхности защитного внешнего кожуха выполнена вырезанная в защитном внешнем кожухе (14) вертикальная смотровая щель (9), оборудованная неподвижной (22) и подвижной пластинами (23), обеспечивающими регулировку ширины смотровой щели (9). Высота смотровой щели (9) по вертикали соответствует высоте линейного оптического сканера (7), а ширина щели по горизонтали задается равномерным сдвигом подвижной пластины ближе или дальше от неподвижной пластины, закрепленной на защитном внешнем кожухе (14). Подвижная и неподвижная пластины могут быть выполнены из различных материалов, например, выполнены металлическими.

По всей длине внутренней поверхности защитного внешнего кожуха (14) вертикально установлена водосборная пластина (10) с силиконовым «лезвием-дворником». Силиконовое «лезвие-дворник» водосборной пластины (10) соприкасается с внешней поверхностью прозрачного цилиндрического экрана (6) по всей его высоте для эффективного удаления находящихся на экране водяных капель. Водосборная пластина (10) расположена после линейного оптического сканера (7) для удаления с прозрачного экрана капель воды, прошедших область сканирования. В заявленном устройстве установлена одна водосборная пластина (10) или несколько водосборных пластин (10), расположенных последовательно в направлении вращения экрана, для повышения эффективности очистки прозрачного вращающегося экрана.

На металлическом каркасе (8) установлен линейный оптический сканер (7), расположенный перед водосборной пластиной (10). Линейный оптический сканер (7) вертикально размещен в непосредственной близости от внутренней поверхности цилиндрического прозрачного экрана (6) по всей высоте металлического каркаса (8).

При необходимости устройство может быть оснащено внешними видеокамерами (20) машинного зрения и экранами (21) с нанесенными калибровочными маркерами, позволяющими проводить видеорегистрацию средней скорости приближающегося к устройству облака капель воды и траектории отдельных капель воды в облаке.

Основание (5) заявленного устройства имеет технологические отверстия для отвода воды из внутренней части устройства, при этом на основании (5) установлен подшипник (13) качения.

В неподвижном металлическом каркасе (8) заявленного устройства, состоящем из нижней металлической площадки и верхней металлической площадки, скрепленных между собой длинными металлическими шпильками и соединенных с основанием (5) и крышкой (1), образовано внутреннее пространство для размещения оборудования. На внешней поверхности верхней металлической площадки металлического каркаса (8) установлены цилиндрические ролики на подпружиненных рычагах, служащие для поддержки и центрирования вращающегося вокруг металлического каркаса (8) цилиндрического прозрачного экрана (6).

В нижней части пространства металлического каркаса (8) размещены преобразователь AC/DC (16) и электродвигатель (4), приводной вал которого направлен вниз. Приводной вал электродвигателя (4) соединен через промежуточную шестерню с нижней площадкой-основанием цилиндрического прозрачного экрана (6). Электродвигатель (4) приводит цилиндрический прозрачный экран (6) во вращение внутри защитного внешнего кожуха (14), вокруг металлического каркаса (8), скорость вращения регулируется микроконтроллером (3).

В верхней части пространства металлического каркаса (8) (над электродвигателем) размещены микроконтроллер (3) и электронные модули (14). К электронным модулям (14) подсоединены: электродвигатель, линейный оптический сканер, сигнальный светодиод, опциональные дополнительные датчики; электронные модули управляют работой перечисленных устройств и, в свою очередь, подсоединены к единому микроконтроллеру (3), позволяющему осуществлять включение, выключение и изменение параметров работы электрических компонентов устройства в соответствии с заложенной программой, а также, осуществлять связь устройства с персональным компьютером, расположенным снаружи устройства, при помощи выходящего из устройства кабеля передачи данных.

В крышке (1) заявленного устройства выполнено технологическое отверстие (18) для вывода кабеля передачи данных и кабеля питания. Кабель питания проведен во внутреннее пространство металлического каркаса (8) через герметичное технологическое отверстие (18) в крышке (1) и отверстие в верхней части вращающегося цилиндрического прозрачного экрана (6); кабель используется для питания электрических компонентов внутри устройства постоянным электрическим током. На внешней поверхности крышки (1) заявленного устройства расположен сигнальный светодиод (2). Свечение сигнального светодиода (2) задается микроконтроллером (3) в соответствии с выполняемой программой; в одном из вариантов, светящийся сигнальный светодиод (2) сигнализирует о выполняющемся процессе оптической регистрации или о других выполняемых командах; сигнальный светодиод (2) может быть использован для контроля работы устройства оператором и для синхронизации по временной оси получаемых устройством данных с данными получаемыми с других приборов.

Заявленное устройство работает следующим образом (на примере морской платформы).

При соударении морской воды с элементом морской платформы (например, фермы основания) образуется облако капель (спрей) морской воды. В области образования спрея на морской платформе над уровнем моря закрепляется заявленное устройство. Ограниченное количество капель морской воды из состава спрея через регулируемую смотровую щель (9) за интервал времени последовательно поступает в пространство между цилиндрическим прозрачным экраном (6) и защитным внешним кожухом (14) и осаждается на поверхность цилиндрического прозрачного экрана (6). За счет непрерывного вращения вокруг собственной оси, прозрачный цилиндрический экран (6) с заданной скоростью уводит осевшие на его поверхность капли воды под внешний кожух (14) устройства в область проведения оптической регистрации, защищенную от внешних факторов. Зазор смотровой щели (9) и скорость вращения прозрачного цилиндрического экрана (6) настраиваются в соответствии со скоростью капель, передвигающихся в составе спрея, так, чтобы последовательно поступающие на прозрачный цилиндрический экран отдельные капли не объединялись в капли большего размера.

Далее осуществляют оптическую регистрацию находящихся на цилиндрическим прозрачным экраном (6) капель при помощи линейного оптического сканера (7), в результате чего получаются растровые изображения, содержащие зарегистрированные линейным оптическим сканером (7) капли. За счет вращения вокруг вертикальной оси цилиндрического прозрачного экрана (6) и водосборной пластины (10) происходит удаление с поверхности цилиндрического прозрачного экрана (6) капель, прошедших оптическую регистрацию, тем самым осуществляется подготовка поверхности цилиндрического прозрачного экрана (6) к приему новых капель морской воды.

Полученные растровые изображения поступают в микроконтроллер (3), откуда передаются по кабелю данных на внешний компьютер. На компьютере, на основе двумерных растровых изображений зарегистрированных капель морской воды осуществляют вычисление параметров капель морской воды (определение размера отдельных капель и значений координат отдельных капель по оси абсцисс и оси ординат до устройства), на основе которых получают данные о размере отдельных водяных капель в облаке капель и их распределение в облаке капель по высоте и удаленности от устройства, при этом вычисление осуществляют на основе того, в растровом изображении расположение капель в вертикальном направлении соответствует их расположению внутри облака водяных капель в направлении длины смотровой щели (9), а горизонтальное расположение капель на растровом изображении соответствует времени достижения каплями воды поверхности устройства.

При поступлении новой порции капель морской воды на очищенную поверхность цилиндрического прозрачного экрана (6) вышеописанные операции для определения параметров капель морской воды повторяются.

В варианте устройства, не оснащенном внешними видеокамерами машинного зрения и установленного вертикально, координаты капель на растровом изображении вдоль оси ординат прямым образом интерпретируются как вертикальные координаты (высота) исходных капель в облаке капель с поправкой на вертикальное местоположение самого устройства относительно облака капель. Координаты капель на растровом изображении вдоль оси абсцисс пересчитываются в координаты исходных капель в облаке капель в заданный момент времени в направлении удаления от смотровой щели устройства вглубь облака капель. Данные координаты рассчитываются с учетом известной скорости движения внешней поверхности вращающегося прозрачного цилиндрического экрана, что позволяет рассчитать время между поступлением в устройство первых капель воды из облака капель, определяющих передний фронт облака капель, и последующих капель воды, вплоть до последних капель, определяющих задний фронт облака капель. Таким образом, все капли воды, отпечатки которых попали в растровое изображение, могут быть выстроены по порядку от переднего до заднего фронта облака капель и для капель могут быть рассчитаны нормированные координаты, где значение 0 - представляет передний фронт облака капель, а значение 1 - задний фронт облака капель. Получение физических координат требует использование дополнительной информации о протяженности облака капель или о средней скорости капель воды в облаке капель.

Средняя скорость облака капель и отклонение траекторий полета капель от прямолинейного направления или перпендикулярного смотровой щели направления определяются в варианте устройства, оснащенном внешними видеокамерами машинного зрения. Использование информации о средней скорости и траектории капель, получаемой с внешних камер машинного зрения, позволяет конвертировать нормированные координаты капель в физические. Использование информации об отклонении траекторий капель от прямолинейных или перпендикулярных смотровой щели, позволяет рассчитывать и применять корректирующие коэффициенты для координат капель вдоль осей абсцисс и ординат при расчете координат капель в облаке капель.

Таким образом, заявленное устройство позволяет определять размер отдельных водяных капель в облаке капель и их распределение в облаке капель по высоте и удаленности от устройства в циклическом режиме, что позволяет, например, прогнозировать начало обледенения объекта, взаимодействующего с облаком капель.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к устройствам для измерения параметров отдельных капель воды в облаке капель. Сущность: устройство содержит крышку (1) и основание (5), между которыми закреплены металлический каркас (8), цилиндрический прозрачный экран (6) и защитный внешний кожух. При этом цилиндрический прозрачный экран (6) расположен между металлическим каркасом (8) и защитным внешним кожухом и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. На внешней поверхности защитного внешнего кожуха выполнена смотровая щель (9), оборудованная подвижной пластиной. По всей длине внутренней поверхности защитного внешнего кожуха установлена водосборная пластина. На металлическом каркасе (8) установлен линейный оптический сканер, расположенный перед водосборной пластиной. Технический результат: определение размера отдельных водяных капель в облаке капель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения параметров отдельных капель воды в облаке капель, содержащее крышку и основание, между которыми закреплен металлический каркас, цилиндрический прозрачный экран и защитный внешний кожух, при этом цилиндрический прозрачный экран расположен между металлическим каркасом и защитным внешним кожухом и выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, а на внешней поверхности защитного внешнего кожуха выполнена смотровая щель, оборудованная подвижной пластиной, причем по всей длине внутренней поверхности защитного внешнего кожуха установлена водосборная пластина, а на металлическом каркасе установлен линейный оптический сканер, расположенный перед водосборной пластиной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оснащено внешними видеокамерами машинного зрения и экранами с нанесенными калибровочными маркерами.