Устройство для измерения и регистрации элементов волн в водоеме Советский патент 1961 года по МПК G01L9/02 

УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ

Заявлено 9 ноября 1960 г. за .V 684741/26 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Опубликовано в «Бюллетене изобретений Nb 24 за 1961 г.

Известные устройства для измерения и регистрации элементов волн, в водоеме, содержащие в качестве датчика волнения один или два высокоомных проволочных электрода, установленных вертикально в водоеме, и автоматически уравновешивающийся самопищущий электронный мост, не обеспечивают высокой точности измерения.

В предлагаемом устройстве электроды в нижней части соединены между собой через сопротивление согласования, а при применении одного электрода последний заземляется через указанное сопротивление. Это позволяет повысить точность измерения элементов волн с помощью датчика волнения, выполненного в виде одного или дву.х проволочных электродов.

На фиг. 1 изображена блок-схема описываемого многоканального устройства; на фиг. 2-принципиальная электрическая схема одного из волнографов и отметчика времени устройства.

На различной глубине, например 6, 9, 12 м от берега водоема, образуют Еолноиз.мерительные квадраты 1, 2 и 3 со стороной, например, 5 м. По углам квадрата бурят скважины, в которые опускают мачты, соответствующим образом закрепленные на дне водоема. В вершинах квадрата устанавливают датчики волнения. При подобной расстановке датчиков волнения образуются четыре равнобедренных прямоугольных треугольника, каждый из которых используется для получения исходных данных о всех элементах волн.

Для определения скорости и направления движения небольщих Еолн в центре квадрата устанавливают пятый датчик.

Датчик волнения представляет собой трубу с гидрофобным покрытием, на которую двумя параллельными рядами намотаны проволочные электроды 4 тл 5 с заданным расстоянием между ними вдоль всей длины рейки и контрольными участками. Нижние концы электродов 4 тл 5 соединены между собой через постоянное сопротивление 6, слуВОЛН В ВОДОЕМЕ

жаще| Д|Ка Н.е1д есопротивления согласования, а при применении одного электрода последний заземляется через это сопротивление.

ВелиЧ 1нй йолнбгЬ сопротивления датчика при различных глубинах погруж щк|(го в воду определяется из выражения:

: . (2- 1}г +

1 - 1 J /-/, R /

гдеZ--полная длина рейки;

/-единица расчетной длины, обычно равная 20 см;

-г;сопротивление проволоки электродов на единицу длины

рейки;

Rg - сопротивление проволочных электродов; ш - сопротивление согласования;

RC у Kf) -характеристическое сопротивление;

RO -сопротивление утечки между электродами на единицу длины рейки;

Р / -75коэффициент затухания цепи.

Верхние концы электродов 4 и 5 подключены к одному из плеч небалансного 7 переменного тока, питаемого от генератора звуковой частоты 8. К измерительной диагонали этого моста через выпрямитель 9, фильтр 10, корректор // и коммутатор 12 выхода и переключатель масштаба записи подключен осциллографический индикатор /5. Разграфка осциллограммы осуществляется с помощью отметчика времени 14, который одновременно регистрирует изменение напряжения питания измерительной схемы. Схема отметчика времени содержит синхронный электродвигатель 15 типа СД-60 с контактным диском, нормально замкнутое реле 16 времени, выпрямитель 17 с фильтром 13, служащим для подмагничивания реле, выпрямитель 49 и ограничительные сопротивления 20 и 21.

При вращении рычага 22, укрепленного на оси электродвигателя 15, через каждые 0,5 сек происходит замыкание контактов 23. Нормально замкнутое реле 16 срабатывает, размыкая цепь, ток в которой отклоняет зайчик щлейфа 24 осциллографического индикатора 13 из крайнего нижнего положения, характеризующего отсутствие тока, к верхнему краю осциллограммы. Емкости 25 н 26 и дроссель 27, образующие фильтр в моменты замыкания и размыкания контактов реле 16, замедляют приращение тока через щлейф 24 отметчика времени в такой степени, что длительность экспозиции светового луча на ленту осциллографического индикатора 43 является достаточной для получения четких меток времени. Вследствие неполной фильтрации переменного тока верхнее положение зайчика щлейфа 24 регистрируется индикатором 13 в виде размытой линии, окаймляющей осциллограмму. Расстояние нижней границы этой линии относительно края осциллограммы меняется при изменении напряжения в общей сети питания отметчика времени и звукового генератора 28, так как ток через шлейф 24 меняется в зависимости от напряжения в первичной обмотке трансформатора 29, что позволяет вносить поправки в масщтаб записи высот волн при изменении напряжения в общей сети питания. При достаточной мощности звукового генератора цепь питания шлейфа 24 огметчика времени может быть подключена параллельно вольтметру 30 разделительного трансформатора 31.

I I „ t/Z р t

При регулировке измерительных схем усгройства д. получения линейной зависимости между изменением сопротивления ка входе мостовой схемы и изменением тока через шлейф 24 индикатора 13 вследствие различной чувствительности шлер1фов и различием характеристик полупроводниковых выпрямителей, используемых в корректирующих ячейках, вместо датчика включают лгагазин, сопротивление на котором изменяется в тех же пределах, что и на датчике волнения. При максимальной разбалансировке моста с помощью переменных сопротивлений 32 и 33 устанавливают предельное отклонение зайчика шлейфа 24 индикатора 13. Далее, варьируя величинами переменных сопротивлений 32, 33 и 34, получают наибольшую линейность характеристики измерительной схемы каждого электроволнографа.

Цепь компенсации первоначальной разбалансировки моста содержит выпрямитель 35 и фильтр, образованный сопротивлениями 36, 37, 38 W 39 VI емкостью 40, служаш,ими для улучшения фильтрации выпрямленного напряжения и для уменьшения шунтируюш,его действия выходного сигнала. Если при регулировке диапазон изменения величины переменного сопротивления 34 оказывается недостаточным, то меняют величину одного из сопротивлений 55, 37, 38, 39 и 41. Кроме того, в монтажной схеме, не изображенной на чертеже, имеется переключатель, дающий возможность изменять масштаб записи путем вариации величинами сопротивлений 32 и 33 так, чтобы общее сопротивление нагрузки оставалось неизменным. При этом один масштаб залиси используют при регистрации мелких, а другой-высоких волн. В качестве источника силового напряжения устройства использован блок 42, к которому подключено реле времени 16. К выходу коммутатора 12 подключен контрольный прибор 43.

Подготовка предложенного устройства к работе завершается тарировкой-статической и динамической. При статической тарировке, после включения осциллографического индикатора 13, датчик волнения погружается и выни.мается из воды на всю свою длину с короткими паузами через 10 или 20 см. Тарировка завершается после двух циклов погружения и подъема датчика. Для непосредственного отсчета тарированных данных в схеме предусмотрен стрелочный прибор, не указанный на чертеже, который с помощью переключателя подключается к любой из пяти измерительных схем устройства. Динамическая тарировка устанавливает зависимость не только между глубиной погружения датчика и током, проходящим через регистрирующий прибор, но и определяет степень инерционности записи. При динамической тарировке используют контактную рейку, на которой электроды установлены через 20 см. Контактная рейка укрепляется параллельно тарируемой, и спаренные рейки периодически перемещают относительно горизонта воды с различной скоростью, что позволяет производить тарировку при наличии слабого волнения в водоеме. Паиболее полная тарировка, охватывающая все участки рейки, происходит при равномерном перемещении тарируемых реек относительно спокойного горизонта воды. Для этого на мачту крепят кронштейн с дЕ-умя блоками и асинхронным реверсивным двигателем, не изобран енными на чертеже.

Тарировке подвергаются одновременно обе рейки-одна погружается в воду, другая-вынимается из воды. Затем с помощью переключателя направление вращения электродвигателя меняется и рейки движутся в обратном направлении. На осциллограмме одновременно регистрируется тарировочная кривая, угол наклона которой определяется скоростями перемещения ленты индикатора 13 и движения рейки. При производстве измерений электроды 4 и 5, расположенные в различных треугольниках, поочередно подключаются с помощью переключателя 44 к соответствующим измерительным каналам, ка выходе которых уста.i. Ч-- I 4.::,o I

.Ny 143561I

повлек осциллографический индикатор 13. Сопротивление датчика меняется линейно вадль всей его длины, что обеспечивается включением сопротивления 6 согласования.

В предложенном устройстве при изменении электропроводности,, от которой зависит основная погрешность измерения элементов волны, не требуется второй пары электродов, так как нижний нерабочий участок датчика автоматически корректирует величину сопротивления 6 согласования. Схемой коммутации устройства предусмотрено подключение к отдельному шлейфу 24 инднкатора 3 выхода всех измерительных схем, что дает возможность регистрировать усредненную величину колебаний уровня воды по двум или четырем точкам; С этой целью выход измерительных схем попарно включают полярностью навстречу друг другу. При этом одна из свободных реек регистрирует высоту и период волны. При проведении записей последовательно по трем глубинам учитывают изменение скорости ветра и элементов волн во времени. Поэтому для развивающегося и затухающего волнения полная длительность регистрации не превышает 30 мин, т. е. по 10 мин на каждый волноизмерительный квадрат. При установившемся волненицдлительность регистрации повышается. Продолжительность между двумя сериями записей определяется характером развития шторма и составляет порядка 2-3 час. ..

Общую картину развития ветра и волн дают регистрация скорости и направления ветра с помощью, анеморумбографа, не изображен- него на чертеже, и непрерывная регистрация высоты и среднего периода волны. Для уточнения переходного коэффициента от скорости ветра, регистрируемого анеморумбографом на берегу, к скорости ветра над водной поверхностью используют четыре контактных анемометра, не показанных на чертеже, которые устанавливают на всех волноизмерительных квадратах и на берегу.

Продолжительность работы описанного устройства синхронизирую-i с работой радиоволнографа для измерения глубинных вод, анализатора спектра периода ветровых волн и электродинамографов. Уровень воды регистрируют самописцем, установленным в теле подводного волнолома. Для изучения профиля дна проводят эхолотные промеры.. Обработку записей начинают с просмотра осциллограммы и нумерации волн,, г.ребни которых прошли без изменений не менее чем через три волномерные рейки. Далее определяют скорость С и направление перемещения а волн относительно сторон волноизмерительного квадрата, исходя из следующей зависимости:

5. , Д

где А/ - время прохождения гребня волны через две рейкн, примыкающие к одной стороне катета равностороннего прямоугольного треугольника.

Описанное устройство может найти применение для измерения и регистрации элементов волн в прибрежных районах морей, озер, рек и водохранилищ.....

П р е д м е т и 3 о б р е т е н и я

Устройство для измерения и регистрации элементов волн в водоеме, содержащее в качестве датчика волнения два или один высокоомных проволочных электрода, установленные вертикально в водоеме, автоматически уравновешивающийся самопишущий электронный мост, отличающееся тем, что, с целью обеспечения повышения точности измерения, электроды в нижней части соединены между собой ч.ерез сопротивление согласования, а при применении одного электрода последний заземляется через сопротивление согласования..

t,

,и

и и

U