Способ определения параметров волн и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения в водоемах, и может быть использовано в океанографических и гидрофизических исследованиях при определении параметров морского волнения и изучении воздействия морских волн на сооружение,

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет одновременного определения высотного положения характерных точек обрушивающейся волны.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение обрушивающейся волны типа ныряющий бурун и положение определяем ых характерных точек профиля; на фиг. 2 - устройство для реги- страции профиля обрушивающейся волны

Способ регистрации вертикально- временного профиля обруш1шающейся волны заключается в следующем. В момент времени t обрушивающаяся волна омьшает струнные датчики (фиг. I). В водной среде рабочая струна резис- торного проволочного датчика представляет собой длинную линию с распределенными параметрами, имеющими согласованную нагрузку. Величина сопротивления резисторного датчика определяется уравнением

Za Н,- г + Z

ВК

где Z, - комплексное значение входВл

ного сопротивления длинной линии, определенное на границе раздела вода-воздух;

г. - удельное сопротивление проволо чной струны датчика;

Н, -. длина непогруженного в воду верхнего участка струны

Для полной стабилизации входного . сопротивления датчика , т.е. не- зависимости его от уровня воды, используют электроды согласования. В тех случаях, когда длина струны датчика не ограничена, роль электрода согласования вьтолняет нижний компенсационный (нерабочий) участок датчика (1ц). Длина таких участков для морской воды составляет 1 80- 100 см. При условии постоянства амплитуды переменного тока, протекаю- щего по измерительной схеме резисторного датчика, изменение амплитуды выходного напряжения этого датчика может быть представлено в виде

и К. Н, -ь С,,

(2)

где К и С, - калибровочные постоянные .

Работа емкостного датчика основана на эффекте изменения электроемкости изолированного проводника, погруженного в жидкость, что эквивалентно конструкции цилиндрического конденсатора, обкладками которого являются вода и проводник, а диэлектриком - изоляционное покрытие проводника. Если изоляция однородна, то емкость такого конденсатора определяется по формуле

2 fi-eh

l.

С,

h,

где С - емкость датчика на единицу

длины;

h - глубина погружения датчика; - диэлектрическая проницаемость изоляции;

d, - диаметр проводника без изоляции;

d - диаметр проводника в изоляции.

С помощью измерительной схемы можно произвести преобразование изменения активности в линейно меняющееся напряжение

п - . г 1

с- Li;Td;/d,)

где .i - константа;

Cj - произвольная емкость, использующаяся для установления произвольного нуля. Когда обрушивающаяся волна омьшает емкостный датчик (фиг. 1) выходное Напряжение емкостного датчика может быть представлено зависимостью

и, Kj(H,j + Hj) - Cj,

(2)

где К , С - калибровочные постоянные .

Если электродный датчрж омывается обрушивающейся волной (фиг. 1), то величина его сопротивления может быть определена из выражения

7 + 2

5, Z,+ Zj BV

где Z - величина сопротивления

верхней части датчика (участок АВ пропорциональный вЫ- соте Н);

Z- - величина сопротивления нижней части датчика (участок

СД пропорииональиый высоте 1Ц).

Тогда выходное напряжение электродного датчика может быть опреде- лево, как

п 1г Н а Н J

ЁТГи --- (3)

Решая систему уравнений (1), (2) (3) , пол -чают

,

кГ

.

Изобретение повышает точность и обеспечивает возможность регистрации вертикально-временного профиля обрушивающейся волны путем измерения изменения сопротивления и емкости струнных датчиков резисторного и емкостного типа, а также измерения сопротивления электродного датчика. После обработки определяют высоты характерных точек профиля обрушивающейся волны. Первый датчик 4 резисторного типа, выполненный в виде вы- сокоомной струны, и второй датчик 5 емкостного типа, вьтолненный в виде низкоомной струны, окруженной изоляционньм покрытием, пространственно совмещены, а третий элек- тродный датчик 6 выполнен в виде двух низкоомных металлических струн, размещенных на расстоянии 0,5-1 см друг от друга и от совмещенных датчиков. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. с ( (Л

- ()l iy,)(),

-г 2к у 4к| к Kj

(УС+ СО ( Ь- СзКУс+ Сг) 3 2Кг Т 4К1 Ki- К,

Значения высот Н, Н и Н , а следовательно, и вертикальный профиль обрушивающейся волны в данный момент времени определяют положением точек А,В и С.

Предлагаемое устройство (фиг. 2) состоит из полупогруженных вертикаль но в воду четырех электродов: электрода 1, вьшолненного из высокоомной безокисной струны, электрода 2 низко омной проволочной струны, окруженной фторопластовой или какой-либо другой изоляцией, которые расположены вплотную друг к другу, и двух электродов 3, выполненных из низкоомной безокисной проволоки, расположенных на расстоянии 0,5-1 см друг от друга и от первых двух электродов. Длина каждого электрода может составлять несколько метров. В устройство также входят измерительный преобразователь электрических сигналов (ИПЭС) резисторного датчика 4, выполненного, например, на базе генератора переменного тока (не показан) ИПЭС емкостного датчика 5, переключатель режима работы электродного датчика 6, ШЭС электродных датчиков 7 и 8, регистратор 9.

Устройство работает следующим образом.

Электроды 1 - 3 устанавливают в месте измерения волнения на мачте или другой неподвижной конструкции с заглублением примерно половины длины электрода, выбираемой по размаху ожидаемого волнения. При волновых колебаниях уровня воды с электрода снимают электрические сигналы и подают на вход ИПЭС резисторного датчика 4, с выхода которого снимают электрический сигнал, пропорциональный изменению сопротивления электрода 1 при вертикальных колебаниях уровня, который регистрируется регистратором 9.

5

0

5

0

5

0

5

С электрода 2 снимают электрические оигналы и подают на вход ИПЭС емкостного датчика 5, с выхода которого снимают электрический сигнал, пропорциональньй изменению емкости электрода 2 при вертикальных колебаниях уровня водной поверхности, который регистрируется .регистратором 9.

Электродный датчик 6 может работать в двух независимых режимах: режиме измерения уклонов морских волн и режиме измерения параметров обрушивающейся волны типа ныряющий бурун. В первом режиме каждый из электродов 3 электродного датчт-жа работает в качестве емкостного датчика, электрические сигналы кот орых падают на вход ИПЭС датчика 7. Формируемый ИПЭС датчика 7 выходной разностный электрический сигнал, несущий информацию об уклонах морских волн, затем подается на регистратор 9. Во втором режиме с электродного датчика снимают электрический сигнал, пропорциональный изменению сопротивления между электродами датчика при омьшанин датчика обрушивающейся волной и подают его на вход ИПЭС датчика 8 . С выхода ИПЭС датчика 8 электрический сигнал подается на вход регистратора 9. Режим работы электродного датчика переключается авто- мат 1чески, посредством разностного сигнала, сформированного из электрических сигналов резисторного 4 и емкостного 5 датчиков. I

Электродный датчик работает в режиме измерения уклонов морских волн при разностном сигнале датчиков 4 и 5, равном нулю, так как это значение в данный момент времени свидетельствует о том, что в данной точке пространства этот момент времени отсутствует обрушение волны типа ныряющий бурун. Если разностный сигнал отличен от нуля, т.е. имеют

место обрушения волны указанного типа, то происходит с помопц ю переключателя режима работы датчика 6 автоматческое переключение электродного датчика в режим измерителя параметров обрушивающейся волны.

Необходимые для построения вертикально-временного профиля обрушивающейся волны калибровочные постоянные К, К, К„ С, С, Сз определяются при тарировке устройства в натурных условиях. Формула изобретения

}. Способ определения параметров волн, при котором получают сигнал

U Uc + С2 I ( С/ ( . г 2К N 4KlKi Kj,

2К,

. ( ()

4К|

Кл- к,

Н,

с.

К

н

Uc

4

-длина струны над гребнем;

-длина струны внутри гребня;

2 - длина струны в водной толще;

-сигналы соответственно резисторного, емкостного и электродного датчиков;

-калибровочные постоянные датчиков.

резисторного струнного датчика, частично погруженного в водную толщу, и производят его обработку, о т л и чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет одновременного определения высотного положения характерных точек обрушивающейся волны и ее гребня, при получении сигнала резисторного датчика одновременно получают сигналы сблокированных с ним емкостного и электродного датчиков, а при обработке вьщеляют параметры

15

Н

Ua ,

к7

Кл- к,

/////