Оптический струнный волнограф

Изобретение относится к области гидрометрии океанографии, методам измерения высоты границы раздела между жидкостью и воздухом. Способ определения зависимости высоты жидкой поверхности от времени или уклонов волн путем измерения высоты погружения струн в жидкость, в котором струны выполнены гидрофильными, их освещают сторонним локальным источником света, а высоту жидкой поверхности регистрируют по положению бликов света, отраженных от менисков на струнах. Технический результат – повышение точности измерений высоты границы раздела между жидкостью и воздухом. 4 ил.

 

Изобретение относится к области гидрометрии и океанографии, методам измерения высоты границы раздела между жидкостью и воздухом, методам измерения уклонов поверхности раздела, например, измерению высоты волнения, спектра волнения, спектра уклонов.

Известен способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость с помощью вертикальной рейки с метками высоты, погруженной в жидкость [1]. Однако этот метод имеет невысокую точность, поскольку суммирует высоту на всем сечении рейки, в нем плохо различается граница раздела для прозрачной жидкости, и этот метод не регистрирует уклоны поверхности. Другим способом является измерение углового положения бликов солнца, отраженных от поверхности с высоты самолета [2]. Но в нем невозможно измерения отражений от капиллярных или коротких гравитационных волн. Возможны измерения уклонов по отраженному лазерному излучению [3]. Недостатком этого способа является уход блика из апертуры приемной системы при даже небольших уклонах, что не позволяет измерять уклоны уже при умеренном волнении.

Наиболее близким аналогом является способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость и уклонов поверхности с помощью струнного волнографа [4, 5]. В нем измеряют электрическое сопротивление вертикально расположенных струн, частично погруженных в жидкость. При изменении уровня жидкости сопротивление погруженной части струны уменьшается, и по общему сопротивлению каждой струны определяют высоту границы раздела. Недостатком метода является невысокая точность измерений из-за изменения сопротивления струны при ее смачивании, за счет осаждения солей не струне и электроде, за счет флуктуаций сопротивления жидкости, из-за емкостных свойств электрической цепи [5].

Технический результат предложенного способа заключается в повышении точности измерений за счет исключения электрических измерений и оптической регистрации уровня жидкости с высокой точностью.

На фиг. 1 показана схема оптических измерений уровня жидкости. Набор светодиодов освещает каждую струну и формирует отраженный блик на мениске на границе жидкость-воздух. Положение блика регистрируется на матрице фотоприемников с частотой работы видеокамеры.

Фотография бликов на двух близко расположенных струнах представлена на фиг. 2. Блики перемещаются вдоль струн совместно с уровнем жидкости.

Зависимость высоты уровня жидкости (положения блика) от времени для первой струны представлена на фигуре 3. Частота измерений равна 30 Гц (частоте кадров в видеокамере).

На фиг. 4 представлена зависимость уклонов поверхности при расстоянии между струнами равном 30 мм.

Гидрофильная струна, опущенная в жидкость, на поверхности жидкости всегда формирует мениск, который обладает тем свойством, что от него отражаются все источники света, расположенные над поверхностью жидкости. При освещении мениска ярким локальным источником света на нем формируется яркий блик, который можно регистрировать на матрицу фотоприемников, фиг. 1. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, мениск перемещается вдоль струны вместе с уровнем жидкости, а вместе с ним перемещается и блик отраженного света. Регистрация положения блика на цифровой матрице фотоприемников во времени позволяет измерять зависимость высоты уровня жидкости во времени. Метод является оптическим, поэтому в нем отсутствуют недостатки электрического струнного волнографа: изменение сопротивления струны при ее смачивании, осаждение солей не струне и электроде и связанное с этим изменение электрических свойств, флуктуации сопротивления жидкости.

Если рядом расположить несколько струн, то будет регистрироваться уровень в соседних точках, что позволит регистрировать уклоны поверхности на различных пространственных масштабах, фиг. 2. Предложенный метод не использует электрические сигналы, поэтому рядом можно расположить несколько струн, которые не будут влиять друг на друга. Для регистрации уклонов поверхности жидкости в ортогональных направлениях струны можно расположить в виде двух перпендикулярно расположенных рядов. Размер блика имеет масштаб менее 1 миллиметра, поэтому точность предложенного оптического способа измерения уровня жидкости имеет сравнимый масштаб. Это позволяет располагать две или большее количество струн близко друг от друга и измерять уклоны поверхности на малых масштабах, что недоступно при использовании электрических струнных волнографов.

Пример реализации способа заключается в освещении вертикально расположенных струн светодиодом и регистрации отраженных бликов света на видеокамеру. Схема измерений представлена на фиг. 1. На фиг. 2 проведена фотография бликов, отраженных от менисков которые зарегистрировались на каждом видеокадре. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, мениски перемещались вдоль струн вместе с уровнем жидкости, а вместе с ним перемещались и блики отраженного света. Регистрация положения бликов во времени на цифровых изображениях видеокамеры позволила измерить зависимость высоты уровня жидкости в точках расположения струн во времени (фиг. 3) и, при известном расстоянии между струнами, позволило получить уклоны и их изменение во времени, фиг. 4. Для калибровки изображений видеокамеры по высоте несколько кадров камеры выполнены, когда рядом со струной располагалась линейка.

Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература

1. Коровин В.П., Чверткин Е.И. Морская гидрометрия. Л. Гидрометеоиздат, 1988.

2. Сох С., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter, J. Optical. Soc. America, 1954, Vol. 44, No. 11, pp. 838-850.

3. Запевалов A.C. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения // Дисс. …докт. физ.-мат. наук. Севастополь: Морской гидрофизический институт НАН Украины, 2008. 290 с.

4. Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. - Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976.

5. Авторское свидетельство СССР №271829, МКИ G01C 13/00. Волнограф. Б.А. Максимов, В.М. Фетисов. - Заявлено 18.09.1968. Опубл. 26.05.1970.

6. Антонов B.C., Садовский И.Н. Измеритель волнения морской поверхности ИВМП-1: описание устройства и данные измерений натурного эксперимента CAPMOS'05. - М. - 2007. - 38 с.

Способ определения зависимости высоты жидкой поверхности от времени или уклонов волн путем измерения высоты погружения струн в жидкость, отличающийся тем, что струны делают гидрофильными, освещают сторонним локальным источником света, а высоту жидкой поверхности регистрируют по положению бликов света, отраженных от менисков на струнах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к механизму индикатора скорости всплытия, содержащему первый подвижный элемент (1) и датчик давления, выполненный с возможностью деформироваться механически под воздействием изменения давления в окружающей среде, при этом первый подвижный элемент (1) кинематически соединен с датчиком давления таким образом, чтобы приводиться во вращение в случае изменения давления.

Изобретение относится к области гидрометрии и касается способа определения зависимости высоты жидкой поверхности и уклонов волн от времени. Способ осуществляется путем измерения высоты погружения струн в жидкость.

Изобретение относится к информационно-измерительной системе и может быть использовано в радиолокационной технике для высокоточной оценки ледовой обстановки в районах морской добычи и транспортировки нефтегазовых ресурсов.

Изобретение относится к области океанографических измерений. Особенностью заявленного струнного волнографа является то, что в измерительную схему включен RC-генератор с фазовым управлением частотой генерируемых синусоидальных колебаний, осуществляющий преобразование напряжения измеренного сигнала с резистивного датчика в частоту управляющего сигнала, который подается на вход управляемого генератора тока, генерирующего заданные синусоидальные сигналы, поступающие на резистивный датчик.

Изобретение относится к способам определения состояния ледяного покрова. Сущность: с помощью цифрового фотоаппарата и подводной видеокамеры, размещенных соответственно на квадрокоптерах и автономных аппаратах типа “SONOBOT”, получают изображения льдин.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения спектральных и статистических характеристик трехмерного морского волнения.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для создания тепловой карты. Предложен способ и система для создания тепловой карты, представляющей множество объектов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, как в натурных, так и в лабораторных условиях, например для определения микро возмущений (порядка десятков микрон) водной поверхности при наличии низкочастотных волн значительной амплитуды (порядка пяти-десяти сантиметров).

Изобретение относится к способам составления приливных карт. Сущность: определяют высоту прилива по гармонической составляющей волны, ограниченной по контуру акватории, задаваемой амплитудой, углом положения и периодом.

Способ измерения векторного поля скорости протяженной поверхности относится к радиолокации поверхности Земли с космических аппаратов и может быть использован для одновременного формирования яркостных и векторно-скоростных портретов речных и океанских течений с необходимым пространственным разрешением и привязкой к координатам местности.

Изобретение относится к области гидрометрии океанографии, методам измерения высоты границы раздела между жидкостью и воздухом. Способ определения зависимости высоты жидкой поверхности от времени или уклонов волн путем измерения высоты погружения струн в жидкость, в котором струны выполнены гидрофильными, их освещают сторонним локальным источником света, а высоту жидкой поверхности регистрируют по положению бликов света, отраженных от менисков на струнах. Технический результат – повышение точности измерений высоты границы раздела между жидкостью и воздухом. 4 ил.

Наверх