Способ измерения колебаний уровня водной поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01C13/00 

да .,т- -г-;- S Ј.

(21Т4853462710

(22)20.06.90

(46) 30.09.92. Бюл. № 36

(71)Ленинградский филиал Государственного проектно-изыскательского и научно- исследовательского института морского транбпЪ рта Со юзморниипроект

(72)П.М.Боголюбов

(56)Авторское свидетельство СССР Мг 129836, кл. G 01 С 13/00, 1959.

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ УРОВНЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

(57)Применение: способ измерения колебании уровня водной поверхности относится к области гидрофизических измерений и быть использован в областях науки и техники, требующих проведения измерений урЬвня жидких электропроводящих сред. Сущность изобретения: способ включает следующие действия: рабочую и опорную электродные пары питают током переменной чэстрты в диапазоне 10-1500 Гц. Устанавливают частоту тока, питающего опорные электроды FOO и частоту Fpo тока, питающего рабочие электроды. Измеряют падение напряжения Uoo на опорных электродах и иро на рабочих электродах. При изменении падения напряжения дЬ значений U01 на опорных и Upi на рабочих электродах, вызванного изменением температуры и/или солености, изменяют электрические величины, функционально связанные с электропроводностью среды (частоту тока, питающего электроды, и/или значение тока питания электродной системы) до полной компенсации названных изменений падений напряжения на опорных и рабочих электродах. Измеряют падение напряжения на рабочих электродах, обусловленное только изменением уровйя вод1ной поверхности. Выполнение компенсации проверяют выполнением равенства отношений частот: Fpi: F01 Fpo : FOO и/или падений напряжений Dpi : Upo U01 : Uoi. 2 ил.

(Л

С

Изобретение относится к области гидрофизических измерений и может быть ис- пользовГа но в областях науки и техники, требующих проведения измерений колебаний уровня водной поверхности. ;vQ Известны способы измерений колебаний уровня моря, использующие зависимость электрических параметров погрушн- ной в воду электродной системы от степени ее погружения (см. Кондуктометрический метод. Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М.: Недра, 1976, с.86).

Названный способ основан на использовании комплексной проводимости воды,

S-riSJitart-; «иЗФФа

сильно зависящей от колебаний температуры и концентрации растворенных в ней солей, что приводит к погрешности измерения сравнимой с измеряемой величиной.

Известен способ измерения волнения и уровня воды (см. Эразм Сьпевак. Измерение волнения и уровня воды аналоговой и цифровой системой с помощью резистивно- жидкостных зондов // Совещание руководителей водохозяйственных органов стран-членов СЭВ. Современные методы и приборы, предназначенные для измерения гидравлических и гидрологических элемён;xj о ел о о

OJ

тов. Симпозиум Болгария-Варна, 1974, с.252).

Способ заключается в использовании изменения электрического сопротивления двух струнных электродов, включенных в измерительную схему. Сигнал, пропорциональный степени погружения электродов, усиливают и подают на регистратор. Для компенсации влияния температуры на результаты измерения используют термистор, расположенный в непосредственной близости с электродами, причем электрически термистор включен в цепь обратной связи усилителя информационного сигнала таким образом, чтобы влияние колебаний температуры воды на результаты измерений было скомпенсировано.

К недостаткам упомянутого выше способа следует отнести зависимость результатов измерения от концентрации растворенных в воде солей, а также наличие погрешности компенсации температурных изменений обусловленной тем, что закономерности, описывающие зависимость выходной величины преобразования от степени погружения электродов и от изменения температуры воды, различны и отличны от линейных.

Описанный выше способ по совокупности существенных признаков наиболее близок к заявляемому и принят за прототип.

Для повышения точности измерений необходимо устранить вклады в изменение сопротивления электродной системы от изменения температуры и солености (концентрации растворенных солей).

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет компенсации вклада в изменение сопротивления электродной системы от изменения температуры и/или солености путем использова- ния реактивной составляющей комплексного сопротивления морской воды.

Цель изобретения достигается тем, что в известном способе измерения колебаний уровня водной поверхности, основанном на зависимости электрического сопротивления электродной системы, частично погруженной в воду, от степени ее погружения используют для измерения только реактивную составляющую комплексного сопротивления, для чего электроды питают переменным током в диапазоне частот 10- 1500 Гц (диапазон преобладания реактивной составляющей комплексного сопротивления над активной).

При начальном неизменном уровне водной поверхности устанавливают частоту тока, питающего полностью погруженные опорные электроды (F0o), и частоту тока (Fpo)

питания рабочих электродов, измеряют падение напряжения Uoo на рабочих электрс- дах и Upo на опорных электродах при установленном напряжении питания электродных систем, при изменении падения напряжения до значения U01 на опорных и UP1 на рабочих электродах, вызванном изменением температуры и/или солености, изменяют электрические величины, функцио0 нально связанные с электропроводностью среды (частоту тока F, питающего электроды, и/или значение тока питания опорной электродной системы), после чего измеряют изменения падения напряжения на рабочих

5 электродах, обусловленные только изменениями уровня водной поверхности.

Для обеспечения удобства эксплуатации сокращают количество варьируемых параметров, например, варьируют только

0 значение частоты тока, питающего опорные и рабочие электроды (F01 и Fpi), причем частоту Foi определяют при равенстве падений напряжения Uoo и Uoi, а значение Fpi определяют из равенства отношений Fpi ; Foi

5 Fpo : F oo, где Fpo, F01 и F0o - измеренные значения частот, Или опорные и рабочие электроды питают током одинаковой фиксированной переменной частоты, компенсируют изменение падения напряжения Upi

0 на рабочих электродах, обусловленное только изменениями физических свойств воды и удовлетворяющее равенству отношений UP1 : Upo Uoi : Uoo, причем компенсацию осуществляют, например, изменением тока,

5 питающего рабочие электроды путем изменения напряжения питания.

Для повышения точности измерения предлагаемым способом за счет локализации в пространстве опорных и рабочих из0 мерений совмещают в пространстве опорные и рабочие электродные системы, причем электродная система работает в различные моменты времени как система опорных электродов и как система рабочих

5 электродов, для чего в первом случае к источнику переменного тока подключают только подводную часть электродов, а во втором - как подводную, так и надводную. Сущность изобретения поясняется гра0 фикомзависимости падения напряжения на электродах от частоты тока питания при фиксированных значениях солености и температуры, приведенном на фиг. 1.

Сопоставительный анализ заявляемого

5 изобретения и прототипа выявляет их различие уже на уровне физической сущности. Действительно, известный способ измерения колебаний уровня водной поверхности основан на измерении сопротивления сис- темы электроды-вода при изменениях уровня водной поверхности. При этом используют только активную составляющую комплексного сопротивления воды, т.н. омическое сопротивление. Однако реактивная составляющая комплексного сопротивления воды не является величиной, пренебрежимо малой в сравнении с активной составляющей. Реактивная составляющая зависит от концентрации растворенных в воде солей и температуры, а пренебрежение названной составляющей приводит к погрешности измерения, сравнимым с измеряемой величиной.

Предлагаемый способ измерения колебаний уровня водной поверхности заключается в использовании только реактивной составляющей комплексного сопротивления воды. Для использования только реактивной составляющей выбирают соответствующий диапазон частот тока, питающего электроды, область 10-1500 Гц, т.н. область релаксации образования мигрирующих ионов из диффузных.

Известно, что растворенные в воде ионы находятся в постоянном тепловом движении (диффузном), при наложении на образец воды электрического поля диффузные ионы ориентируются по полю, на что требуется затратить время г и дополнительную энергию. Сориентированные в своем движении по полю ионы и есть мигрирующие ионы. При смене направления приложения поля ионы меняют направление движения, на что также требуются дополнительные затраты энергии, составляющие реактивную (мнимую) часть комплексной энергии. Величина, обратная времени, затраченного на образование мигрирующих ионов, представляет собой частоту релаксации fp.

Частота релаксации fp является физической характеристикой среды. При равенстве частоты релаксации и частоты переменного электрического поля, наложенного на образец, происходит максимальное (избыточное) поглощение энергии электрического поля, т.е. преобладает реактивная составляющая энергии.

Левая крутая ветвь графиков (см, фиг.1) представляет собой релаксационную область, характерную тем, что каждому значению падения напряжения, пропорциональному удельному сопротивлению воды, можно поставить в соответствие множество значений солености и температур, или каждому значению частоты можно поставить в соответствие множество значений солености, температур и напряженности поля (напряжения на электродах).

Приведенные на фиг.1 графики описываются известным аналитическим выражением

2i3i

10

-4

и

КR -Т F

0)

где IZI - модуль комплексного сопротивления воды;

U - падение напряжения на электродах электролитической ячейки;

Т - абсолютная температура среды;

F - частота электрического поля;

К - константа равновесия реакции образования мигрирующих ионов, зависящая от концентрации растворенных солей;

R - универсальная газовая постоянная;

2,39 -10 4-переводной коэффициент.

Из приведенного выражения видно, что сопротивление среды Z в рекласационной области можно менять изменением частоты поля, тока питания, либо напряжения U, пропорционального напряжению питания электродов.

Уравнение (1) выражает закон, на котором основан предлагаемый способ.

Если в процессе измерений колебаний уровня водной поверхности изменится соленость или температура, изменится и модуль сопротивления IZI . В этом случае для компенсации названного изменения сопротивления следует изменить напряжение U, либо частоту F до восстановления прежнего значения IZI . Приведенное выше уравнение (1) справедливо лишь для релаксацион- ной области.

Записав уравнение (1) для опорной и контролируемой среды при начальных и изменившихся условиях, получим систему четырех уравнений

I

2,39 10

-4

(Joo

К R Т

oo

oo

IZo1 I

2,39 10

-4

uЈi

К R T01 F01

IZpo I

2,39 10 U§

po

К R Т

po t-po

... , 2,39 10 4 llSi IZp1 - К R TP1 Fpi

55

где индексы оо - опорная среда, начальные условия;

о1 - опорная среда, изменившиеся условия;

ро - контролируемая среда, изменившиеся условия,

решение которых дает соотношения, являющиеся условиями, при которых выполняется компенсация изменений сопротивления среды, вызванных изменением ее солености и/или температуры.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области науки и техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое -решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

Сущность изобретения поясняется графиками (фиг.1) и фиг,2 а и б, на которых приведены блок-схемы устройств для реализации предлагаемого способа, где на фиг,2а:

На фиг.2б:

1 и 2 - источники переменного тока, питающие электродную систему в режиме опорных и рабочих измерений.

Предлагаемый способ может быть реализован, например, с помощью известного устройства, блок-схема которого приведена на фиг.2а, следующим образом: при неизменном уровне частично погруженные (рабочие) электроды 4 струнного типа располагают в месте контроля изменений уровня. В непосредственной близости к рабочим электродам располагают полностью погруженные (опорные) электроды 3, выполненные, например, в виде прямоугольных металлических пластин, как в известной электролитической ячейке. К выходу источника переменного тока 1 с перестраиваемой частотой, в качестве которого используют, например, генератор стандартных сигналов звуковой частоты, через коммутатор 2 подключают рабочие электроды 4. С помощью генератора 1 устанавливают частоту тока, питающего рабочие электроды, равной Fpo в диапазоне 10-1500 Гц. Измеряют падение напряжения Upo на рабочих электродах, например, с помощью стандартного цифрового вольтметра 5. С помощью коммутатора 2 подключают к выходу генератора 1 опорные электроды 3. Устанавливают частоту тока,

питающего электроды, равной значению Foo, устанавливают напряжение питания опорных электродов таким, чтобы падение напряжения на них было равно Uoo. При неизменных значениях солености и/или

0 температуры падение напряжения на электродах 3 и 4 не меняется. При изменении же уровня водной поверхности его величина линейно связана с изменением падения напряжения на рабочих электродах 4, по кото5 рому судят об изменении уровня.

При возможных изменениях солености и/или температуры наблюдают за изменениями падения напряжения Uoo на опорных электродах 3 с помощью вольтметра 5. Если

0 названное падение напряжения наблюдается, и, например, приняло новое значение Dot, изменится и падение напряжения Upo на рабочих электродах 4 до значения Upi, что приводит к нелинейной зависимости па5 дения напряжения от изменений уровня. В этом случае компенсируют изменение падения напряжения Upi, для чего устанавливают новое значение частоты тока, питающего опорные электроды 3 (т.е. частоту генерато0 ра 1, равную величине F0i), при которой падение напряжения на опорных электродах Uoi принимает прежнее значение Uoo, т.е. величина сопротивления среды приняла прежнее значение, а изменение Upi компен5 сируют изменением частоты тока, питающего рабочие электроды 4 до значения Fpi, которую определяют из соотношения Fpi : Fo1 Fpo FOO.

С помощью коммутатора 2 к выходу ге0 нератора 1 подключают рабочие электроды 4. Устанавливают новое значение частоты Fpi, при которой изменение падения напряжения UP1, вызванное изменением солености и/или температуры, скомпенсировано.

5 С помощью вольтметра 5, подключенного к электродам 4, регистрируют изменения падения напряжения, вызванные только изменением уровня, Компенсация изменений сопротивления может быть осуществлена и

0 при выполнении условия, выраженного соотношением Upi : U Ро U 01 : Uoo, для чего при начальном неизменном уровне к выходу генератора 1 через коммутатор 2 подключают опорные электроды 3, устанавливают

5 фиксированную частоту F0o тока, питающего опорные электроды. Устанавливают выходное напряжение генератора 1 равным Еоо (напряжение питания электродной системы). При этом падение напряжения на электродах равно U0o. Подключают выход

генератора 1 с помощью коммутатора 2 к рабочим электродам 4. При частоте F0o устанавливают выходное напряжение генератора Еро таким, чтобы падение напряжения на электродах 4 было равно Upo, которое измеряют с помощью вольтметра 5. Контролируют изменение сопротивления среды (электропроводности) в результате изменения солености и/или температуры, для чего с помощью коммутатора 2 к выходу генератора 1 подключают опорные электроды 3. С помощью вольтметра 5 измеряют падение напряжения на них.

В случае изменения солености и/или температуры падение напряжения изменяется, например, принимает значение U01, при этом меняется и падение напряжения на рабочих электродах 4. Компенсируют изменение падения напряжения на рабочих электродах 4, для чего с помощью коммутатора 2 к выходу генератора 1 подключают рабочие электроды 4.

Напряжение питания электродов 4 оставляют прежним, равным Еро, а частоту тока, питающего электроды 4, устанавливают равной Fpi, причем названную частоту определяют из приведенного выше отношения частот.

Приведенное ранее равенство отношений падений напряжения на рабочих и опорных электродах является условием компенсации сопротивления среды изменением тока питания электродной системы, например, путем изменения напряжения питания электродов. Для осуществления названной компенсации опорные и рабочие электроды питают переменным током фиксированной равной частоты F. С помощью коммутатора 2 к выходу генератора 1 подключают опорные электроды 3. Устанавливают выходное напряжение генератора 1 (напряжение питания опорных электродов) Ёоо таким образом, чтобы падение напряжения на электродах 3 было равно U0o. Переключают выход генератора 1 с помощью коммутатора 2 на вход рабочих электродов 4. Устанавливают выходное напряжение генератора 1 (Еро), таким, чтобы падение напряжения на электродах 4 было равно Upo. Контролируют изменение электропроводности воды, вызванное изменением солености и/или температуры, для чего к выходу генератора 1 с помощью коммутатора 2 подключают опорные электроды 3, В случае изменения падения напряжения U0o до значения Dob и Upo до Dpi в результате изменения только физических свойств воды должно выполняться равенство отношений названных падений напряжения, Компенсируют изменение падения напряжения на

рабочих электродах, вызванное изменением сопротивления среды, обусловленным изменчивостью солености и/или температуры изменением тока питания рабочих электродов, для чего к генератору 1 через коммутатор 2 подключают рабочие электроды 4, и устанавливают новое значение напряжения питания электродной системы ЕР1 (выходного напряжения генератора 1),

при котором происходит компенсация падения напряжения до значения Upo. После компенсации названного падения напряжения Upi вольтметром 5 измеряют изменение падения напряжения, пропорциональное

изменению уровня водной поверхности,

Предлагаемый способ может быть реализован также с помощью известной струн- но-контактной электродной системы, что

позволяет повысить точность измерений за счет локализации в пространстве опорных и рабочих измерений. При этом для работы струнно-контактной системы в качестве опорных электродов к генератору 1 через

коммутатор 2 подключают звенья струнно- контактного электрода, расположенные под водой. Измеряют значение падения напряжения Uoo и его изменения с помощью вольтметра 5. В качестве рабочих электродов

используют звенья струнно-контактной пары, расположенные как над водой, так и под водой, для чего названные звенья через коммутатор 2 подключают к выходу генератора 1. Компенсацию сопротивления среды

(падения напряжения на электродах) осуществляют при выполненных условиях равенства отношений частот и/или падений напряжений.

40

Формула изобретения

Способ измерения колебаний уровня водной поверхности, при котором размещают два опорных и два рабочих электрода в

контролируемой среде, устанавливают фиксированную частоту тока питания электродов Fpo, контролируют падение напряжения на опорных электродах и измеряют падение напряжения на рабочих электродах, по которому судят об изменении уровня, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет устранения влияния изменений контролируемой среды на ее проводимость, устанавливают фиксированную частоту тока питания опорных электродов Foo равной 100 Гц, а перед измерением падения напряжения на рабочих электродах изменяют частоту тока питания опорных электродов до значения F01, соответствующего первоначальному значению падения напряжения на опорных элек- ния рабочих электродов Fpi, определенную трэдах, и устанавливают частоту тока пита- из соотношения Fpi (Fpo -F0i)/Foo.

V, i

i

5

i-s,14

ФИГ. 1.

M

XD

CM