Й ВОЛНОГРАФ Советский патент 1967 года по МПК G01L11/00 G01L9/02 G01L7/02 

Данное изобретение относится к области океанографических исследований. Развитие теоретических исследований ветрового волнения, современные представления о процессах, протекающих на границах раздела вода-воздух, предъявляют новые требования к приборам для исследования волнения в природных условиях. При регистрации колебаний волнового уровня в точке прибор должен фиксировать весь спектр гравитационных колебаний, включая и его высокочастотную часть. Учитывая трехмерность процесса волнения, происходящего в нриродных условиях, необходимо, чтобы прибор помимо амплитуды и частоты волновых колебаний в точке позволял проводить регистрацию уклонов водной поверхности одновременно в нескольких направлениях.

Кроме того, при применении в дальнейшем разных методов обработки материала необходимо, чтобы уровни снимаемых сигналов позволя.ли использовать регистраторы разных типов.

Известные в настоящее время струнные волнографы, состоящие из блока питания и многокаиального измерительного устройства, каждый канал которопо содержит струнный датчик, блок индикации и регистр, как правило, дают возможность измерять колебания уровня воды только в одной точке и не обладают

достаточной точностью измерений, вследствие нелинейности их систем.

Предлагаемый струнный многоканальный волнограф предназначен для одновременной регистрации колебаний волнового уровня в нескольких точках и помимо регистрации амплитуд и частот колебаний уровня позволяет проводить измерения мгновенных уклонов водной поверхности в нескольких направлениях. Это достигается благодаря тому, что в блок питания его введен генератор неременного напрял ения прямоугольной формы, подключенный к выходу стабилизированного выпрямителя и связанный с несколькими струнными датчиками.

В блок индикации каждого из этих датчиков введен делитель, передающий напряжение питания в усилительный каскад для частичной компенсации нанряжения, поступающего с датчика при записи мелких волн в крупном масштабе. В указанный усилительный каскад введен кремниевый стабилитрон для стабилизации режима каскада по постояпному току. Благодаря выполнению волнографа многоканальным с несколькими струнными датчиками возможно измерение пространственных характеристик исследуемого процесса.

Волнограф содержит стабилизированный источник постоянного напряжения /, генератор // переменного напряжения прямоугольной формы, несколько однотипных струнных датчиков ///11-П1„, блоков индикации /KI-IVи и регистратор У.

Стабилизированный источник постоянного напряжения необходим как для питания генератора прямоугольного напряжения, так и усилительных каскадов блоков индикации и включает два выпрямителя на диодах /-4, стабилизирующую RC-цепочку 5, фильтр 6 и стабилизатор на транзисторах 7-12.

В качестве источников опорнопо напряжения в стабилизаторе используются кремниевые стабилитроны 13, 14. Последовательно с ними для термокомпенсации включены три стабилитрона 15, 16, 17. Схема стабилизатора содержит два усилительных каскада на транзисторах 11, 12. Это позволяет уменьшить нестабильность выходного напряжения до +0,25Vo при изменении напряжения питающей сети на +20о/о.

Генератор иеремеииого напряжения прямоугольной формы предназначен для питания струнных датчиков, с целью исключепия поляризации на электродах, и содержит задающий блокииг-генератор на транзисторе 18, работающий в автоколебательном режиме и выдающий короткие импульсы с частотой 7-8 кгц, частота которого регулируется с помощью переменного сопротивления 19: блокинг-трансформатор 20; триггер на транзисторах 21 и 22, ключевые транзисторы 23, 24 и выходиой трансформатор 25. Генератор через балластные сопротивления 26 связан со струнными датчиками, подключаемыми к многожильному кабелю через щтепсельные разъемы 27, 28, 29.

В качестве датчиков в данном волнографе используются проволочные струны из сплава высокого сопротивления (константан, нихром), диаметром 0,3-0,5 мм, не изменяющие своих характеристик в морской воде. При работах на малых глубинах струны натягиваются между кронштейнами, которые крепятся ниже и выше уровня воды на неподвижной основе. При исследовании характеристик волиения в открытом море струнные датчики крепятся на кронштейнах мачты притопленного буя, но в этом случае собственные колебания системы учитываются специальным датчиком и исключаются из сигналов струн.

Для увеличения механической прочности датчика струна может натягиваться вместе с металлическим тросиком в иолихлорвиниловой изоляции.

Каждый датчик связан с блоком индикации соответствующего измерительного канала. Блоки индикации для всех датчиков совершенно идентичны и содержат каждый усилительный каскад на транзисторе 30, в эмиттерную цепь которого включены сопротивления 31, 32, создающие отрицательную обратную сиязь.

Изменяя степень шуитнроваиия сопротивления 32 емкостью 33, можно регулировать глубину обратной связи, а следовательно, коэффициеит усиления каскада и масштаб записи волн. Кроме того, в эмиттерную цепь транзистора 30 подается прямоугольное напряжение, снимаемое с делителя на сопротивлениях 34, 35, включенного в цепь питания датчика. Последнее позволяет частично скомненсировать

напряжение, иоступагощее с датчика, и тем самым более рационально использовать динамический диапазон усилителя при записи мелких волн в крупном масштабе. С нагрузки 36 первого каскада усиления

сигнал подается на усилитель-инвертор, собраииый иа транзисторах 37, 38. Отличительной особенностью этого каскада является применение кремниевого стабилитрона 39 для стабилизации режима каскада по постоянному току. Сигнал с инвертора ностуиает на парафазный повторитель на транзисторах 40, 41, а с выходов повторителя - на мостовую выпрямительную схему из диодов 42-45. Иа нагрузке выпрямителя выделяется постоянное

напряжение, равное по величине амплитуде напряжения прямоугольной формы, поступающего с усилителя.

Через ограничительное сопротивление 46 это напряжение подается на гнездо 47, к которому подключается вибратор шлейфового осциллографа или другой самопишущий инднкатор. Иа это же гнездо подается постоянное напряжение с потенциометра 48, позво тяющее электрически смещать линию записи самописца.

Принцип действия прибора общий для всех электроволнографов - струнных и контактных - основан на использовании проводимости морской воды. Если электрод датчика частично опущен в воду, то при колебаниях уровня воды измерительный прибор фиксирует изменения сопротивления (напряжения или силы тока), пропорциоиальные изменяющейся длине электрода над водой. Переменное напряжение, подаваемое на датчик, исключает поляризацию.

Питание датчиков от генератора переменного напряжения прямоугольной формы, полученное путем коммутации постоянного стабилизированного напряжения, позволило исключить из схемы питания усилитель и тем самым погрещность за счет нестабильности коэффициеита передачи усилительной схемы, повысить коэффициент использоваиия питающего папрлжения, кроме того, в широких пределах выбирать иапряжение питания датчика, а также отбирать значительные мощности для питания одновременно нескольких датчиков без ухудшения стабильности питающего напряжения.

можно считать постоянным по амплитуде и пе завпсяш,им от измепений сопротпвлсиня струп. Таким образом, иапряжепие, возникающее па струнном датчике с погрешностью в доли процепта, можно считать пропорциональным сопротивлению струны, а в конечном счете - уровню морк в точке установки датчика. Поскольку измерения ведутся одновременно несколькими датчиками при пространствеином их расположелии, имеется возможность получить ряд пространственных характеристик процесса. Измеряемый сигнал с датчиков ностунает в ,блок индикации измерительного капала, выпрямляется п подается па регистратор.

Мощность снимаемого сигнала волнографа позволяет использовать в качестве регистратора любой многокаиальный шлейфовый осциллограф, а также устройства для записи сигналов на магнитную ленту или перфорации даиных перед вводом их в цифровую вычислительную машину.

П р е д м е т изобретения

Струнный волнограф, состоящий из блока питания и многоканального измерительного устройства, каждый канал которого содержит ст)уииый датчик, блок индикации и региетратор, отличающийся тем, что, с целью повыщепия точности измерений п получеппя простраиственных характеристик колебаний волнового уровня н уклонов водной поверхности, в блок питания введен генератор переменного нанряжеппя прямоугольной формы, подключенный к выходу стабилизироваиного выпрямителя и связанный с несколькими струнными датчиками, в блоки индикации каждого из которых включен делитель, передающий нанряженне питания датчика в усилительный каскад для частичной компенсации напряження, поступающего с датчика при записи мелких волн в круином масштабе, а в усилптельиый каскад введен кремниевый стабилитрон.

-| |.

h-H .J 1.

Г

I-«J

I I