Устройство для измерения крутизны ветровых волн Советский патент 1992 года по МПК G01C13/00 

9. 111,2 . 10

.

О

1

/4

Использование: при конструировании устройств для определения параметров ветровых волн в открытом море. Сущность изобретения: уртройство содержит корпус 1 с балластом А, соединенные с корпусом посредством штанг 9 поплавки 10. В устройство введены оптические излучатели 13, датчики выполнены в виде приемников Оптических сигналов 11. 7 ил.

-в

фиг

Изобретение относится к океанографии и может быть использовано при конструировании устройств для определения параметров ветровых волн в открытом море.

Целью изобретения является создание более совершенной конструкции устройства для измерения наклонов ветровых волн, которая обеспечивала бы повышение точности измерений при крупномассштабном волновом процессе.

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство в транспортном положении, общий вид, на фиг. 2 - вид сверху заявляемого устройства в рабочем положении; на фиг. 3

-заявляемое устройство на спокойной воде; на фиг. 4 - положение составных частей заявляемого устройства во впадине волны; на фиг. 5 - то же, на гребне волны; на фиг. 6

-то же, на склоне волны; на фиг. 7 - структурная схема аппаратурной части.

Устройство для измерения крутизны ветровых волн содержит плавучий, выполненный в виде герметичной трубы корпус 1 с аппаратурой 2, к нижней части которого на стержне 3 пристыкован балласт 4, а в верхней части установлена мачта 5 с антенной б и платформой 7. В верхней части корпуса 1 гооизонтально установлены оси 8, на которых шарнирно закреплены штанги 9 с поплавками 10, на внешней поверхности штанг на одинаковом, расстоянии друг от друга установлены датчики 11, выполненные в виде приемников оптических сигналов, в качестве которых могут быть использованы, например, фотосопротивления, фотодиоды (ФД-7К, ФД-227), ячейки солнечной батареи, фотогальванические устройства или фотоэлементы. Под платформой 7 на кронштейнах 12 установлены излучатели оптических сигналов 13, например, полупроводниковый лазер 32ДЛ102 или светодиод ЗЛ124А,

Для удержания устройства в направлении распространения волн к одному из поплавков 10 пристыкован флюгер 14.

В транспортном положении устройства

штанги 9 с поплавками 10 расположены

вдоль корпуса 1, что приводит к существен ному сокращению его габаритов и создает

удобство к месту постановки.

После погружения устройства в воду плавучий корпус 1 устанавливается под действием балласта 4 в вертикальном положении, мачта 5 с антенной 6 и платформой 7 располагаются над поверхностью воды, а поплавки 10 под действием положительной плавучести разворачивают штанги 9 на осях 8 относительно корпуса 1. При этом на спокойной воде штанги 9 устанавливаются перпендикулярно корпусу 1, т.е. располагаются

горизонтально - параллельно поверхности воды.

Излучатели оптических сигналов 13 закреплены на кронштейнах 12 под платфор- мой 7 таким образом, что их оптические оси составляют с вертикальной осью устройства угол р, определяемый соотношением

p arctg -yip

0 где I - длина штанги;

h - высота, на которой установлены излучатели относительно шарнирной подвески штанг.

Т.е., на спокойной воде оптические сиг- 5 налы от излучателей 13 воспринимаются фиксированными датчиками 11, находящимися в середине на поверхности штанг 9.

При возникновении волнения корпус 1 сохраняет постоянной свою ватерлинию, а 0 поплавки 10, благодаря шарнирному соединению штанг 9 с корпусом 1, совершают колебательные движения, отслеживая волнение, при этом штанги 9 разворачиваются относительно горизонтальной плоскости на некоторый угол. В результате в зону световых лучей, исходящих от излучателей 13, попадают датчики 11, по очередности, количеству и периодичности срабатывания которых определяют геометрический параметр волны - крутизну в каждый момент времени.

Регистрация крутизны ветровых волн и зыби предлагаемым устройством основана на том, что расположенные на поверхности волнового профиля частицы воды находятся друг от друга на различном расстоянии как по вертикали, так и по горизонтали и, перемещаясь под корпусом 1, приподнимают его вверх на гребень волны или опускают вниз во впадину, приводя в колебательное движение шарнирно скрепленные с корпусом 1 штанги 9 с поплавками 10, при этом составные части устройства перемещаются друг относительно друга, что фиксируется датчиками 11.

Таким образом, по показанию датчика, принявшего оптический сигнал, можно судить в любой момент времени о крутизне волны в Данной точке, т.е. угле, составляемом касательной к профилю волны с горизонтальной линией.

Крутизна волны в предлагаемом устройстве определяется следующим образом.

Из треугольника ABC по теореме синусов (см. фиг. 4) нэходится угол а, лежащий 5|

против стороны В С Ы

- -iufy:sinor isiny/|W;

5

0

5

0

5

0

« arcsin

JZ sln(j-p) TTTT

где l(t) - расстояние от оси 8 до датчика 11, воспринимающего в данный момент времени оптический сигнал;

1/2 - расстояние от оси 8 (шириной подвески штанг на корпусе) до датчика 11, воспринимающего оптический сигнал при горизонтальном положении штанг 9;

у из треугольника ABC.

Тогдаугол /3(t), составляемый отрезком ВД(г), параллельным касательной линии к профилю волны с горизонтальной линией, совпадающей с отрезком СВ (I), характеризующий крутизну волны в точке Д в данный момент времени, определяется из соотношения

/3 (t) + а + у п откуда

i sin (5-у) /3 (t) л- arcsin (Ј ) ;

окончательно

) /8(t) 5 ч- р arcsin )

Аналогично определяется крутизна волны при нахождении заявляемого устройства на гребне (см. фиг. 5) и склоне (см. фиг. 6) волнового профиля, а также при регистрации параметров высокочастотной части спектра ветровых волн.

Форма и размеры световых пятен на фотоприемниках в зависимости от ориентации штанг относительно горизонтальной поверхности воды изменяются.

При нахождении штанг на спокойной воде, т.е. горизонтально, на фотоприемники падает световое пятно в виде эллипса и покрывает два или несколько фотоприемников (в зависимости от расстояния между ними), находящихся в центральной Части штанг.

При переходе штанг из горизонтального положения во впадину волны длина оси эллипса светового пятна;параллельная продольной оси штанги;уменьшается. При этом световое пятно смещается в направлении шарнирной подвески штанг к корпусу и покрывает меньшее количество фотоприемников, а в пределе - один.

При нахождении штанг на гребне волны длина оси эллипса светового пятна, параллельная продольной оси штанг увеличивается, при этом световое пятно покрывает максимальное количество фотоприемников, расположенных на периферии штанг

Таким образом, если световое пятно покрывает только один фотоприемник, то оптическая ось излучателя проходит через центр этого фотоприемника. Если же в сле- 5 дующий момент времени световое пятно покрывает два (четное число) фотоприемника, то оптическая ось проходит по оси зазора между ними. Если в какой-то момент времени световое пятно покрывает три (нечетное

0 число) фотоприемника, то оптическая ось проходит через центр среднего из освещенных фотоприемников.

Поскольку для измерения крутизны волн Необходимо в каждый момент времени

5 определять l(t) - расстояние от оси шарнирной подвески штанг до точки пересечения оптической оси излучателя с поверхностью штанг, а оптическая ось излучателя всегда проходит через центр светового пятна, то

0 становится очевидным, что определение расстояния до упомянутой точки пересечения сводится к определению центра светового пятна, поэтому величина светового пятна не будет влиять на точность измере5 ний при соответствующем внесении поправок на величину светового пятна - в зависимости от расстояния между фотоприемниками.

При этом одним из вариантов для вы0 числения крутизны волн может быть следующая последовательность операций; определение порядковых номеров и количества фотоприемников, покрытых световым пятном; определение центра светового пят5 на - точки пересечения оси излучателя с поверхностью штанги; вычисление крутизны волны по математической зависимости, изложенной в формуле изобретения.

Нетрудно заметить, что точность изме0 рений будет тем выше, чем меньше расстояние между фотоприемниками.

Размеры фотоприемников по сравнению с размерами штанг и мачты малы, поэтому погрешность измерения расстояния

5 l(t), а значили крутизны волны будет весьма незначительна, а главное, может быть учтена ввиду априорных знаний параметров фотоприемников и расстояния между ними. Информация сдатчиков 11 обрабатыва0 ется аппаратурой 2 расположенной в корпусе 1, и данные о крутизне волн в виде радиосигналов поступают на береговые посты сбора данных о состоянии поверхности океана.

5Работает аппаратура предварительной

обработки сигнала следующим образом. Сигналы каждого фотоприемника усиливаются усилителями постоянного тока и поступают на формирователи сигналов, которые дискретизируют эти сигналы в зависимости

от того, освещены фотоприемники или нет. Дискретизированные сигналы поступают на коммутатор Тактовый генератор вырабатывает тактирующие импульсы, которые через счетчики поступают на адресный вход коммутатора и одновременно на регистр. В зависимости от того, освещен фотоприемник с заданным в текущий момент времени с помощью счетчика адресом или нет, с выхода коммутатора на регистр поступает или нет импульс, разрешающий запись в регистр кода (адреса) данного фотоприемника. Эта коды по радиоканалу передаются на борт носителя или береговую станцию, где вводятся в микро ЭВМ. Микро-ЭВМ по специальной несложной программе определяет точку пересечения оси излучателя с поверхностью освещенных в данный мо- мемт зремени фотоприемников и затем, обработав массив данных полученный за некоторое время, вычисляет по формуле крутизну ветровых волн:

. sm(%-p) / 2 + 9 arcsin - j ft v.

Предлагаемое устройство такой конструкции обладает рядом достоинств, которые позволяют существенно повысить точность измерений при крупномасштабном волновом процессе.

Использование в качестве органов (инструментальных средств) измерений источников и приемников оптических сигналов обуславливает регистрацию такого параметра морского волнения-как крутизна посредством бесконтактного метода, что исключает влияние воздействия динамических нагрузок со стороны подвижных масс воды на инструментальную систему, не деформирует ее составные части и не приводит к нарушению динамики взаимодействия излучатель оптических сигналов - приемники оптических сигналов, а это позволяет проводить измерения с высокой точностью.

Шарнирное скрепление штанг, на которых установлены приемники оптических сигналов, с корпусом позволяет создать следящую систему, реагирующую на изменения водной поверхности. Составные части устройства (корпус и штанги с поплавками) постоянно пребывают на поверхности воды, перемещаясь друг относительно друга в соответствии с процессами, происходящими при волнообразовании, что выгодно отличает заявляемое устройство от

устройства-прототипа, взаимодействие составных частей которого вносит существен- ные погрешности в процесс измерения. Предлагаемая конструкция позволяет исключить влияние гидродинамических сил на качество регистрации параметров волнового профиля и, таким образом, повышает точность измерений. Штанги в процессе эксплуатации располагаются параллельно

касательной к профилю волны, что позволяет по показаниям датчиков с высокой точностью измерить крутизну волн. Кроме того, шарнирное скрепление штанг с корпусом обеспечивает уменьшение габаритов устройства при транспортировке к месту постановки.

Выполнение заявляемого устройства в виде следящей системы обеспечивает регистрацию крутизны ветровых волн как низкочастотной, так и высокочастотной части спектра, при этом поплавки разворачивают штанги относительно корпуса на соответствующие углы, Это обстоятельство исключает влияние размеров устройства на точность

измерений.

Таким образом, заявляемое устройство для измерения крутизны ветровых волн обладает рядом преимуществ по сравнению и с известными устройствами и позволяет посредством бесконтактного метода существенно повысить точность измерений параметров волнового профиля всего спектра ветровых волн и зыби.

. Формула изобретения

Устройство для измерения крутизны ветровых волн, содержащее корпус, выполненный в виде трубы с балластом, подвешенным к нижнему концу трубы,

соединенные с корпусом штанги длиной I с поплавками, и датчики наклонов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, штанги соединены с корпусом шарнирно, а датчики наклонов выполнены в

виде оптических излучателей, установленных на корпусе на вертикальном расстоянии h от шарниров и оптически сопряженных с фотоприемниками, установленными на штангах, при этом оптическая ось каждого

излучателя наклонена относительно оси корпуса на угол р, определяемый соотношением

55

р агстд -уь

Ю /(

sii 11 if-n ifn II |ГТПТ

./

Фиг.З

/4

fae. 2,

Я

V4

II и li ii il jTrt ii ч и itira.

/

/

В

-3

4

tf

Фиг.4