Устройство для определения параметров волн Советский патент 1983 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к гидрофизике и может быть использовано при изучении поверхностных и внутренних волн в лабораторных и натурных условиях.

Известны устройства для определения параметров морских волн с помощью буя, в которых контактное устройство, прикреплэнное к маятниковой подвеске, замыкается на круговой потенциометр. Контактное устрой ство обеспечивает определение ориентации фронта волнового склона по индикации направления максимального уклона волны относительно направлен ветра, регистрируемого флюгаркой l

Недостатками этого устройства являются невозможность его применения для исследования внутренних всшн, малые точность и надежность, связанные с использованием электромеханических систем.

Известно также устройство регистрации параметров волн, в кото ром измерительные электроды вращаются относительно вертикальной оси. Ориентация фронта волны может быть определена путем измерения углового положения максимального уклона на круговой диаграмме регистратора С) «

Недостатком известного технического решения является искажение волнового поля собственным движением вра1цаю1цихся электродов, что снижает точность и достоверность результатов измерения. Для уменьшения искажений скорость вращения электродов устанавливается низкой. Однако при этом сужается динсшический диапазон, из-за чего устройство неприменимо для реги- трации параметров коротких волн с крутым фронтом.

Наиболее близким техническим решением, сохраняющим возможность выполнения измерений в достаточно широком динамическом диапазоне, является устройство, в котором с помощью двух пар взаимно перпендикулярных датчиков - проволочных электродов, питаемлх от стабилиэированного источника переменного тока,предусмотрено определение уклонов взволнованной поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях 3

Однако обработка результатов измерений, связанная с интегрированием 7 разностных сигналов, датчиков, требует-достаточно сложной схемы и не предусматривает определения крутизны и ориентации волневого склона.

Цель изобретения - упрощение схемы обработки сигналов при определении крутизны и ориентации волнового склона,

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения парам«гтров волн, содержащем две пары электродов, размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, питаемых от источника переменного напряжения и подключенных к схеме обработки сигналов, снимае1 ых с пар электродов, в центре симметрии обеих пар электродов закреплена вертикально индукционная катушка, обмотки которой подключены к схеме обработки сигналов, а одна из пар электродов подключена к источнику переменного напряжения через фазосдвигающее звено.

Для повышения помехозащищенност устройства-обмотка .индукционной катушки сос-гавлена из двух секций, размещенных по высоте сердечника катушки и включенных встречно, а электроды, ;алин.а которых не превышает длины намотки секции, размещены на уровне только одной из сек|ЦИй,

Кроме того, провод Й1Ки для подключения электродов к источнику переменного напряжения проложены в сквозном центральном отверстии цилиндрического сердечника индукционной катушки, а сами электроды закрепленьг на внешней поверхности по обр зукищм цилиндрического корпуса, соосного расположенному внутри него сердечнику с обмоткой.

На фиг, 1 представлена схема, иллюстрирующая принцип действия усройства; на фиг, 2 - структурная схема устройства; на фиг, 3 предпочтительная конструктивная модификация устройства.

Датчик устройства состоит из электродов l-l и 2-2, установленных по образующим цилиндрического корпуса 3 С11мметрично в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях, внутри корпуса 3 расположена индукционная катушка 4 про;п1ольная ось которой совпадает с осью симметрии электродов 1-1 и 2-2, Электроды l-l непосредственно соединены с источником 5 переменного напряжения, а электроды 2-2- через фазосдвигающее звено б , обеспечивающее сдвиг фазы на 90 Обмотка индукционной катугик 4 через усилитель 7 соединена со схемой 8 обработки сигналов,

Обмотка индукционной катушки может быть выполнена из двух секцил 9, разнесенных по сердечнику 10. Через аксиапьное отверстие цилиндрнеского сердечника 10 проложетл проводники 11, по которым подак тся напряжения питания иэмеоительны электродов 1-1 и 2-2,

С помощью двух пар электродов 1-1 и 2-2 в проводящей среде создается вращающееся поле электрического тока. Регистрации искажений этого, поля в присутствии волнового склона осуществляются путем измерения напряженности магнитного поля, создаваемого токами растекания электродов.

Вращающееся электрическое поле Е создают путем подачи на электроды 1-1 и 2-2 напряжений и 4и U. одинаковой амплитуды Р. и частоты СдЗо сдвинутых относигтельно друг друга по фазе на 90

. i.- Ucoscoo :

1-г вертикальном расположений корпуса 3 вокруг оси индукционной катушки 4 в горизонтальной плоскости возникает в проводящей,среде вращающееся с частотой WQ поле электрического тока, Стекаклдйй с каждого из электродо в ток разветвляется на токи, которые распределяются относительно корпуса 3 симетрично, как точки 3, и З (фигД)

Для .наглядности на фиг. 2 io киЗ, ,3(,3«i ) 3 7 , (утекающие с электродов 1-1 и 2-2 , показаны протекающими по проводникам с резисторами R,, R ,Rj,R2 Суммарное магнитное поле, создаваемое токами растекания по оси 0-0, регистрируется индукционной катушкой 4,

Направления токов j и 3| (соответственно 2 и З) г таковы что магнитные поля, coздaвae ыe ими по оси 0-0, направлены навстречу друг другу.

Поэтому в стратифицированной по вертикали среде в отсутствии волноj вого склона враиаюи иеся поля электричесхих токов 1,3, и .З симметричны, а суммарное магнитное по по оси 0-0, действующее на катушку 4,равно нулю.

Присутствие волнового склона искажает симметрию вращающегося поля тока. При этом суммарная индукция магнитного поля по оси 6-0 зависит как от крутизны волнового склона, так и от его ориентации относительно электродов дегачика. Если отсчитвать угол R ориентации фронта относительно оси, проходящей через электроды 1-1 , то приращения токо вызванные присутствием волнового склона,будут соответственно равны

.4- HgTCoSp Иг..О-), cos (i,

гдеЦ, jU.ji - напряжения меткду соответствующими электродами;

разность проводимостей между средами;

tgjj - крутизна волнового

склона.

Учитывая, что и,., UcoscJot г U.i Uein GOot получаем

tk(bKUi -6aHgy cosfbcosWot4-SinpsiMWot - KU ( COsCoOot (г),

где др - изменение индукции маг-нитного папя по оси О-о К - коэффициент пропорциональности.

Амплитуда приращения индукции магнитного поля при постоянной разности злектропроводимостей между средами является функцией крутизны волнового склона, а фаза индукции однозначно определяется ориентацией фронта волнового склона относительно оси, проходящей через электроды .1-1, Измерение индукции магнитного поля осуществляется индукционной катушкой 4,. амплитуда напряжения на выходе iкоторой пропорциональна крутизне волнового склона, а разность фаз между выходным напряжением катушки и напряжением на электродах 1-1 характеризует пространственную ориентацию фронта волнового склона.

Выходное напряжение с обмотки индукционной катушки 4 через усилитель 7 поступает на схему 8 о работки сигналов, в которой производится определение разности фаз между измеренной индукцией магнитного поля и напряжением, создающим вращающееся поле электрического, тока, и преобразование этой разности характеризующей пространственную ориентацию фронта волнового склона, в форму, удобную дпя индикации, В схеме 8 осуществляется также изме рение амплитуды напряжения, пропорционального индукции магнитного поля и характеризующего крутизну волнового склона.

Одним из недостатков индукционной катушки, работающей на повышенной частоте, является высокая чувствительность к помехам, в част- ности создаваемыгл токами в проводах идущих к электродам l-l , 2-2 ,

Для г1оёышения помехозащищенности, что особенно важно при проведении работ.в условиях оптового бассейна, обмотка индукционной катушки выполнена из двух одинаковых секций, расположенных симметрично по длине сердечника и включенных встречно, а электроды с размерами, не превышающими длину намотки секции, установлены напротив только одной из секций. В этом случае по-. :мехи, создаваемые в секциях выходной обмотки внешними источниками.

взаимно компенсируются, а токи, создаваемые исследуекым волновым склоном, действуют только на одну секцию индукционной катушки, что и приводит к появлению полезного сигнала на ее выходе

Применение бесконтактного метода измерения и повьвценной частоты питат ния электродов обеспечивают высокую скорость кругового обзора пространства, расширяют динамический диапазон и повыл /Ьют точность определения крутизны и ориентации фрон та волнового склона.

Кррме того, предлагаемое устройство обеспечивает возможность регистрации параметров как поверхностных, так и внутренних волн.

Проверкаf выполненная в лабораторных условиях с помощью макета, подтвердила возможность выполнения измерений с погрешностью определе ния ориентации Фронта волнового склона не выие 6,

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛН, содержащее две пары электродов, размещенных во взаимно перпендикулярных плоскостя питаеьих от источника переменного напряжения и подключенных к схеме обработки сигналов, снимаемых с пар электррдов, отличающее ся тем, что, с целью упрощения схёкы обработки сигналов при определении крутизны и ориентации волнового склона, в центре симметрии обеих пар электродов закреплена вертикгьльио индукционная катушка, обмотки котог рой подключены к схеме обработки сигналов, а одна из пар электродов подключена к источнику переменного напряжения через фазосдвигающее звено. 2.Устройство по п. 1, отличающее ся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, обмотка индукционной катумки составлена из двух секций, размещенных по высоте сердечника катушки и включенных встречно, а электроды, длина которых не превышает длины намотки секции, размещены на уровне только одной из секций. 3.Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем,.что проводники для подключения электродов к источнику переменного напряжения проложены в сквозном центральном от.верстии цилиндрического сердечника индукционной катушки, а сами электроды закреплены на внешней поверхности образующим цилиндрического корпуса, соосного расположенному внутри него сердечнику с обмоткой. / - г