Устройство для измерения крутизны ветровых волн

 

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.

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((Ц (si)s 6 01 С 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4672683/10 (22) 03.04.89 (46) 15.12.92. Бюл. ¹ 46 (71) Киевский научно-исследовательский институт гидроприборов (72) О.А.Тихомирова, Ю.Е.Шамарин, В.С.Гусев и В.А.Бевзенко (56) Патент США N. 3367181, кл. 73-170, 196(.

Авторское свидетельство СССР, N 821917, кл, G 01 С 13/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТИЗНЫ ВЕТРОВЫХ ВОЛН (57} Использовайие: при конструировании устройств для определения параметров ветровых волн в открытом море. Сущность изобретения: устройство содержит корпус 1 с балластом 4, соединенные с корпусом посредством штанг 9 поплавки 10. В устройство введены оптические излучатели 13, датчики выполнены в виде приемников оптических сигналов 11. 7 ил, 1781546 горизонтально — параллельно поверхности воды.

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

1 ф = агс19 где I — длина штанги;

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

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

При возникновении волнения корпус 1 сохраняет постоянной свою ватерлинию; а поплавки 10, благодаря шарнирному соедиению штанг 9 с корпусом 1, совершают олебательные движения, отслеживая воление, при этом штанги 9 разворачиваются тносительно горизонтальной плоскости на екоторый угол. В результате в зону светоых лучей, исходящих от излучателей 13, опадают датчики 11, по очередности, колиеству и периодичности срабатывания котоых определяют геометрический параметр олны — крутизну в каждый момент времени.

Регистрация крутизны ветровых волн и

ыби предлагаемым устройством основана а том, что расположенные на поверхности олнового профиля частйцы воды находятся руг от друга на различном расстоянии как о вертикали, так и по горизонтали и, переещаясь под корпусом 1, приподнимают его верх на гребень волны или опускают вниз о впадину, приводя в колебательное двиение шарнирно скрепленные с корпусом 1 танги 9 с поплавками 10, при этом составые части устройства перемещаются друг тносительно друга, что фиксируется датчиами 11.

Таким образом, по показанию датчика, ринявшего оптический сигнал, можно суить в любой момент времени о крутизне олны в данной точке, т.е. угле, составляеом касательной к профилю волны с горионтальной линией.

Крутизна волны в предлагаемом устройтве определяется следующим образом.

Иэ треугольника АВС по теореме синуов (см. фиг. 4) находится угол а, лежащий ротив стороны BC (— )

Устройство для измерения крутизны н ветровых волн содержит плавучий, выпол- к ненный в виде герметичной трубы корпус 1 .. н с аппаратурой 2, к нижней части которого на. о стержне 3 пристыкован балласт 4, а в верх- 25 н ней части установлена мачта 5 с антенной 6 в и платформой 7. В верхней части корпуса 1 и гооизонтально установлены оси 8; на кото- ч рых шарнирно закреплены штанги 9 с по- р плавками 10, на внешней поверхности 0 в штанг на одинаковом. расстоянии друг от друга установлены датчики 11, выполнен- з ные в виде приемников оптических сигна- н лов, в качестве которых могут быть в использованы, например, фотосопротивле- З5 д ния, фотодиоды (ФД-7К, ФД-227), ячейки . и солнечной батареи, фотогальванические ус- м . тройства или фотоэлементы. Под платфор- в мой 7 на кронштейнах 12 установлены в излучатели оптических сигналов 13, напри- .40 ж мер,— полупроводниковый лазер 32ДЛ102 ш или светодиод ЗЛ124А. : -: н

Для удержания устройства в направле- о нии распространения волн к одному иэ по- - к плавков 10 пристыкован флюгер 14. 45

В транспортном положении устройства и штанги 9 с поплавками 10 расположены д вдоль корпуса 1, что приводит к существен- в

"ному сокращению его габаритов и создает м удобство к месту постановки. э

После погружения устройства в воду плавучий корпус 1 устанавливается под дей- с ствием балласта 4 в вертикальном положейии, мачта 5 с антенной 6 и платформой 7 с располагаются над поверхностью воды, а 55 поплавки 10 под действием положительной и плавучести разворачивают штанги 9 на осях

8 относительно корпуса 1, При этом на спокойной воде штанги 9 устанавливаются перпендикулярно корпусу 1, т.е. располагаются

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 точно° сти измерений при крупномассштабном волновом процессе., 10

На фиг. 1 изображено заявляемое устройство в TpBHcllopTHoM положении, общий вид; на фиг. 2 — вид сверху заявляемого устройства в рабочем положении; на фиг. 3 — заявляемое устройство на спокойной во- 15 де; на фиг, 4- положение составных частей заявляемого устройства во впадине волны; на фиг. 5 — тоже, на гребне волны; на фиг. 6 — то же, на склоне волны; на фиг. 7 — структурная схема апйаратурной.части.

l/2 I (t > «! з п = з п, э(п а = 2 э! и У /!(т);

1781546

2 (2 ! л а= arcsln 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 = — р- из треугольника АВС, 7f

Тогдаугол P(t), состэвляемый отрезком

ВД (l(t)), параллельным касательной линии к профилю волны с горизонтальной линией; совпадающей с отрезком СВ (l), характеризующий крутизну волны в точке Д в данный момент времени, определяется из соотношения

p(t)+ а+у =л; откуда sin (— cp) ! . к

P(t) = =к — arcsln — (— rp); окончательно

> sin(— ср) ! . л

P(t) = = + р — arcsin

Аналогично определяется крутизна волны при нахождении заявляемогоустройства 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, нэ 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, увеличива-. ется, при этом световое пятно покрывает максимальное количество фотоприемников, расположенных на периферии штанг. штанг, э оптическая ось излучателя всегда проходит через центр светового пятна, то

20 становится очевидным, что определение

40

5

Таким образом, если световое пятно покрывает только один фотоприемник, то оптическая ось излучателя проходит через центр этого фотоприемника, Если же в следующий 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 число) фотоприемника, то оптическая ось проходит через центр среднего из освещенных фотоприемников, Поскольку для измерения крутизны волн йеобходимо в каждый момент времени определять l(t) — расстояние от оси шарнирной подвески .штанг до точки пересечения оптической оси излучателя с поверхностью расстояния до упомянутой точки пересечения сводится к определению центра светового пятна, поэтому величина светового пятна не будет влиять на точность измерений при соответствующем внесении поправок на величину светового пятна — в зависимости от расстояния между фотоприемниками.

При этом одним из вариантов для вычисления крутизны воли может быть следующая последовэтельнос.ть операций; определение порядковых номеров и количества фотоприемников, покрытых световым пятном; определение центра светового пятна — точки пересечения оси излучателя с поверхностью штанги; вычисление крутизны волны по математической зависимости, изложенной в формуле иэобретения.—

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

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

l(t), а значит,и крутизны волны будет весьма незначительна, а главное, может быть учтена ввиду априорных знаний параметров фотоприемников и расстояния между ними.

Информация с датчиков 11 обрабатывается аппаратурой 2 расположенной в корпусе 1, и данные о крутизне волн в аиде радиосигналов поступают на береговые посты сбора данных о состоянии поверхности океана, Работает аппаратура предварительной обработки сигнала следующим образом.

Сигналы каждого фотоприемника усиливаются усилителями постоянного тока и поступают на формирователи сигналов, которые дискретизируют эти сигналы в зависимости

1781546 от того, освещены фотоприемники или нет, Дискретиэированные сигналы поступают на коммутатор. Тактовый генератор вырабатывает тактирующие импульсы, которые через счетчики поступают на адресный вход 5 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 10 нет импульс, разрешающий запись в регистр кода (адреса) данного фотоприемника. Эти коды по радиоканалу передаются на борт носителя или береговую станцию, где вводятся в микро ЭВМ. Микро-3ВМ по спе- 15 циальной несложной программе определяет;î÷êó пересечения оси излучателя с поверхностью освещенных в данный момент времени фотоприемников и затем, обработав массив данных, полученный за 20 некоторое время, вычисляет по формуле крутизну ветровых волн; я

> sin(> — p)

P = +p — arcsin

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

Использование в качестве органов (инструментальныхх средств) измерений источников и приемников оптических сигналов обуславливает регистрацию такого параметра морского волнения как крутизна по- 35 средством бесконтактного метода, что исключает влиячие воздействия динамических нагрузок со стороны подвижных масс воды на инструментальную систему, не деформирует ее составные части и не приво- 40 дит к нарушению динамики взаимодействия

"излучател ь оптических сигналов — приемники оптических сигналов", а это позволяет проводить измерения с высокой точностью.

Шарнирное скрепление штанг, на кото- 45 рых установлены приемники оптических сигналов, с корпусом позволяет воздать следящую сйстему, реагирующую на изменения водной поверхности,,Составные части устройства (корпус и штанги с 50 поплавками) постоянно пребывают на поверхности воды, перемещаясь друг относительно друга в соответствии с процессами, происходящими при волнообразовании, что выгодйо отличает заявляемое устройство от 55 устройства-прототипа, взаимодействие составных частей которого вносит существенные погрешности в процесс измерения, Предлагаемая конструкция позволяет исключить влияние гидродинами«еских сил на качество регистрации параметров волнового профиля и, таким образом, повышает точность измерений, Штанги в процессе эксплуатации располатаются 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 исключаег 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! с поплавками, и датчики наклонов, о т л ич а ю щ е е с я 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

I .у = дгстя

1781546

1781546

Риг T

Составитель О, Тихомирова

Техред M. Моргентал Корректор В..Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1764 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5