Устройство для определения параметров внутренних волн в жидкости Советский патент 1983 года по МПК G01H3/00 

Изобретение относится к средствам исследования внутренних волн в лабораторных условиях и может быть использовано при проведении экспериментального определения параметров внутренних волн в жидкости. Известно устройство для лабораторных исследований параметров вну ренних волн,на свободной поверхнос ти жидкости, содержащее лоток, изг товленный из органического стекла, волнопродуктов, имеющий форму клин и связанный механически с валом мо тора с регулируемой скоростью вращения, датчики для измерения перемещения свободной поверхности жидкости. На боковую стенку лотка нанесена масштабная сетка. Лоток заполнен жидкостями, имеквдими раз- . личную плотность. Верхний слой жид кости окрашен, что позволяет- осуще влять визуализацию внутренних волн только на грайице раздела слоев жидкости l1 . Недостатки этого устройства заключаются в том, что оно позволяет только визуально рпределить па1раметры внутренних волн, волнОпродуктор КЛИНОВИДНОЙ формы генерирует одновременно не только внутренние волны, но и поверхностные, невозможно измерять вертикальную ско рость перемещения фиксированной точ ки границы раздела двух жидкостей различной плотностью на гл убине ма симального градиента), при проведе эксперимента необходимо присутствие экспериментатора, отсутствует автом тизация процесса измерения параметров внутренних волн. Наиболее близким по еврей сущнос ти к изобретению является устройсТг во для определения параметров внутренних волн в жидкости, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противоположных стенках волнопродуктор и гаситель волн, датчики колебаний, размещенные, в жидкости, и блок измерения 2 , Недостатками известного устройст ва являются ограниченность измерительных возможностей рри измерении параметров внутренних волн, посколь ку измеряется только волновое давление внутренней волны, устройство имеет узкое назначение (только для исследования взаимодействия внутрен них волн со свободной поверхностью жидкости), волновое давление внутренней волны определяется контактным методом посредством введения да чика в жидкости, что искажает исследуемую волновую структуру и сни)кает точность измерений. Цель изобретения - повышение точ ности измерений и упрощение .устройства. ,. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения па- раметров внутренних волн в жидкости, содержащем, лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противоположных стенках волнопродукт и гаситель в.олн, датчики -колебаний, размещенные в яшдкости, и блок измерения, датчики колебания выполнены в виде-поплав-. ков нейтральной плавучести с размещенными на них источниками-с ета и линзами, обращенными ко дну, лотка, а в последнем-выполненыПрозрачные окна, через которые датчики взаимодействуют с блоком измерения. Кроме того, блок измерения выполнен в виде лентопротяжного механизма со светочувствительной бума гой. Нафиг.1 изображена схема устройства для определения параметров внутренних волн в жидкости,- на фиг. 2 разделение оптич еского потока, идущего от поплавка; на фиг.З и 4 - ва- рианты конструкции поплавков с жест- КИМ и шарнирным креплениями источ-ника света соответственно; на, фиг.5 предельные положения поплавка на внутренней волне; на фиг. 6 и 7 - моменты распростране,ния первой и последую щих волн соответственно; на фиг.8 возможное расположение поплавков, вид сверху; на фиг.9 - вариант устройства с блоком измерения в виде лентопротяжного механизма; на фиг,10 то же, вид А; на фиг. 11 - край.ние положения поплавков и соответствующие им изображения на светочувствительной бумаге; на фиг.12 - вид.снятой информации. Устройство для. определения параметров йнутренних волн в жидкости содержит лоток 1, заполняемый жидкостями разной плотности, например керосином 2 плотностью р и чистой водой 3 плотностью pg, ( ) На одной стенке лотка 1 размещен волнопррдукт 4, на противоположной его стенке - гаситель 5 волн. На границе раздела А, поверхности небольшого градиента плотности жидкости, расположены два датчика кол баний, выполненные в виде поплавков б и 7 нейтральной плавучести, установлерных на расстоянии S один от другого. В дне лотка 1 выполнены про-. зрачные окна 8, например, из стекла, под которыми расположен блок измерения, состоящий из светоделительных пластин 9 и 10, датчиков 11 и 12 освещенности, позиционно-чувствительных датчиков 13 и 14 смещения, аналогоцифровых преобразователей 15-18,соединеннбго с ними блока 19 управления, преобразователя 20 параллельного кода в последовательный и регистратора 21. Датчик 11 чмеет приемную плас-.

тину 22 (фиг,2), а датчик 12 - полупроводниковую пластину 23 с омическими контактами 24-27, кольцевым электродом 28 и связанным с ним контактом 29. В центре кольцевого элekтрода 28 расположен модулирующий электрод 30.

Поплавки 6 и 7 состоя из герметичного корпуса 31, в котором расположен балласт 32 и блок 33 питания, щеточник 34 света и линза 35 (фиг-.З).

Поплавки .6 и 7 могут быть вьшолнены (фиг.4) с подвеской 36, на которой крепится линза 35 и источник 34 света. Подвеска 36 подвешена к . торцу поплавка через шарнир 37. Контакты и провод источнике света, идущий к блоку питания, защищены от контакта с жидкостью, и провод входит в поплавок через гермоввод (не показан ). . .

Устройство, также содержит блок измерения, выполненный в виде лентопротяжного механизма, состоящего из двух пар катушек 38 -и 39 с э лек троприводом 40 с размещённой на катушках светочувствительной бумагой 4

Устройство работает следующим образом.

. -С помощью волнопродуктора 4 генерируют плоскую внутреннюю волйу в области поверхности А . Профиль волны распространяется от волнопродуктора до первого поплавка 6 нейтральной плавучести, (фиг, 1), КОТОЕЯЛЙ начинает колебаться, а через некоторое время начинает колебаться поплавок 7 (фиг.7), Так как поплавки 6 и 7 имеют нейтральную плавучесть (они отрегулированы с помощью балласта 32), то они перемещаются совместно с жидкостью, отслеживая внутреннюю волну тем точнее, чем точнее достигнута нейтральная плавучесть. Во время начала колебания поплавка начинает изменяться освещенность светрвого потока, идущего от точечного источника 34 света, находящегося на поплавка;} и падающего на приемную пластину 22 (фиг,2) датчиков 11 и 12 Так как,имеются светоделительные пластины ,9 и 10, то вторая часть светового потока принимается датчиками 13 и 14 смещения. Световой поток в исходном положении поплавка спроектирован в центр полупроводниковой пластины 23. К кольцевому элек троду 28 через контакт 29 подводится синусоидальное напряжение относительно точечного модулирующего электрода 30. Ввиду незначительной толщины полупроводниковой пластины 23 можно считать, что электЕ)ичес кое поле имеет только составляющую, направленную параллельно поверхности пластины. В этом случае неравновесны носители, созданны:е световым пятном

на поверхности пластины,диффундируют в радиальном электрическом поле, которое периодически изменяет закон их распределения.

Если изображение находится в центре пластины 23, потенциалы противр положных (жических контактов 24, 27 и 26, 25 равными снимаемая разность потенциалов рабна нулю. При смещении изображения относительно центра омические контакты 24-27 (фиг,2) оказываются в зонах с различной концентрацией неравновесных носителей тока, и им будут соответствовать различные потенциалы, разность которых пропорциональна величине смещения изображения 6 , С (). Светоделитель ные пластины 9 и 10 и датчики 1114 приий«1ают световой прток от каждого поплавка, преобразуют в электрический сигнал, измеряют блоком измерения, и выводят на регистратор 21, который может быть цифропечатающим устройством, магнитны накопителем и т.п.

Устройство позволяет фиксировать время t от момента совершения первого полного колебания поплавка 6 до момента снятия показаний « измерять число вертикальных колебаний п поплавка, фиксировать время t от мРмента совершения первого полного колебания вторрго поплавка 7 до момента снятия показаний и измерять за этот интервал времени число его вертикальный колебаний п. Одновременно измеряют смагкение в горизонталной плоскости поплавков 6 и 7 относительно датчиков 13 и 14 и по этим смещени ф4 определяют (фиг,8} ;проекцию L расстояния € между поплавками 6 и 7 на направление распространения воли

L sie«tej,

где С,, 2 - смещение поплавков относительно своего исходного положения; S - проекция расстояния между поплавками на иацравление распррстранения волны при исходнет известном положении поплаВ . .: ков.. , .. Используя измеренные данные, определяют параметры внутренних волн длину Л волны по формуле

f - 2

фазовую скорость V внутренней врлны по формуле

V

ti - Ч

период Т внутренней волны по формуле

. т - Д - . п - nj где n - число полных колебаний пбр вого поплавка за время t число полных г олебаний вто рого поплавка за время t t,-ti; момент времени достижения первого от начала колебани гребня первым от волнопродуктора поплавком; момент времени достижения первого от начала колебаний гребня вторым поплавком;момент времени снятия пока заний. Количество колебаний п и п определяют по показаниям освещеннос ти. Которая в зависимости от положения .поплавка имеет различные значения. При верхнем положении поплав ков имеет место освещенность Eff,f, при самом нижнем - освещенность Е плоскости, относи,тельно которой перемещаются по€тлавки. Следовательно, устройство позволяет получить величины (в цифрах), соответствукадие следовательно, можно сказать, сколько сделали колебаний поплавки б и 7. При выполнении блока измерения в виде лентопротяжного механизма устройство работает следующим образом Включают одновременно волнопродуктор 4 для генерации внутренней волны и электродвигатель 40, происходит перематывание, например светочувствительной бумаги 41. Световой поток (фиг.9 и 11), идущий от источника 34 света, пройдя через линзу 35, проецируется на светочувстви/ельную бумагу 41. Под действием внутренней волны начинает колебаться первый попла.вок 6,вследствие чего уменьшается или увеличивается диаметр светово-. ,го пятна, которое ,. отпечатывается на светочувствительной бумаге 41 как засвеченное пятно (фиг.9 и 11). Так как вал лентопротяжного механизма вращается, возможно с помощью вращающегося диска (не показан) , закрепленного на нем и имеющего отверстия, через которые проходит дополнительный световой поток отмечать время на дорожке светочувствительной бумаги 41, что позволяет определять момент времени t достижения первого от начала колебаний гребня волны первым поплавком 6 и момент времени t, достижения первого от начала колебаний гре ня волны вторым поплавком 7. По световым пятнам, фиксирующим колебания поплавков, обусловлен ные внутренними волнами, определяют число П| полных колебаний первого и число колебаний второго поплавков. от моментов времени t и tg соответственно до момента времени tj снятия показаний (). . Зная расстояние е (фиг.12) между лентами светочувствительной бумаги и, расстояния й и С ( 6 ,e d/2+b 4f где d - диаметр пятна; - расстояние от световых полос до внутренних краев первой и второй бумажных лент (до светового пятна) ,, определяют длину проекции S расстояния между точечными источниками света первого и второго поплавков на направление распространения волн (фиг. 12), длину И , фа.зовую скорость Vg и период Т внутренней волны. Затем измеряют диаметр светового пятна на бумаге (фиг.11 и 12), соответствующий положению поплавка на подошве волны (световое пятно с наименьшим диаметром d), и диаметр светового пятна на бумаге, соответствующий положению поплавка на вершине волны (световое пятно с наибольшим диаметром d&) .Определяют амплитуду внутренней волны по Формуле А i( dg-d XtgoC, где dg,d|rt - диаметры световых пятен, соответствующие положе, ниям датчика (поплавка) на вершине и подошве волны соответственно, оС - угол между образующей конуса светового потока и лентой, на .-которую проецируется световой поток (фиг.11). . : Определяют скорость Vg вертикального перемещения фиксированной точки на границе наибольшей плотности жидкости по формуле V8 |(d5-dM)tg, время, за которое перемещается поплавок с подошвы волны на ее вершину. Использование предлагаемого устройства позволяет осуществлять измерения параметров внутренних волн в, неоднородной жидкости, в том числе и в непрерывно стратифицированной по плотности дистанционным методом, используя поплавки нейтральной плавучести (как некоторый объем жид кости), которые отслеживают внутреннюю волну (перемещаются совместно с слоем жидкости, в которой они уравновешены), не искажая ее структуру в той степени, в которой искажает введенный в жидкость любой датчик другого типа, вследствие чего повышается точность измерений, определять не только длину А, фазовую скорость Vjp и период Т волны,

но и ее амплитуду и вертикальную скорость перемещения фиксированной точки на поверхности раздела жидкостей, использовать оптические преобразователи для исследования внутренних волн (ранее они использовались зффективно только для исследования поверхностных волн).

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ-п НИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противополож ных стенках волнопродуктор и гаситель воли, датчики колебаний, раз(мещениые в жидкости, и блок измерения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, датчики колебаний выполнены S виде поплавков нейтральной -плавучести с размещенными на них источниками света и линзами, обращенными ко дну лотка, а в последнем выполнены П1юзрачные окна, через которые датчики взаимодействуют с блол ял измерения. 2. Устройство ПОП.1, отлича н щ в ее я тем, что, с целью упрои ния устройства, блок измерения выполнен 3 Виде лентопротяжного механизма со светочувствительной бумагой. 1C да

.5

Направление распроетранвни/ волны1 Т

Направление pacnpocmjtaMeHUA

иг.в

.9

Вид A

л

Z9

Фиг.10