RU96653U1

RU96653U1 - SURFACE WAVE METER

Info

Publication number: RU96653U1
Application number: RU2010101174/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Ковалев; Александр Александрович Плотников
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2010-08-10

Abstract

1. Измеритель поверхностного волнения, состоящий из несущей трубы, в верхней части которой вертикально установлен емкостной датчик поверхностного волнения, соединенный с электронным измерительным блоком, находящимся в герметичном контейнере, поплавка, размещенного в средней части несущей трубы, а также троса, установленного в несущей трубе с возможностью регулирования его длины и снабженного якорем. !2. Измеритель поверхностного волнения по п.1, отличающийся тем, что измеритель дополнительно снабжен датчиком температуры. ! 3. Измеритель поверхностного волнения по п.1, отличающийся тем, что несущая труба выполнена разъемной. 1. A surface wave meter consisting of a carrier pipe, in the upper part of which a capacitive surface wave sensor is vertically mounted, connected to an electronic measuring unit located in an airtight container, a float located in the middle of the carrier pipe, as well as a cable installed in the carrier pipe with the possibility of adjusting its length and equipped with an anchor. ! 2. The surface wave meter according to claim 1, characterized in that the meter is additionally equipped with a temperature sensor. ! 3. The surface wave meter according to claim 1, characterized in that the carrier pipe is detachable.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения параметров поверхностного волнения жидкостей. Данное устройство может быть применено в геофизике для исследования волновых процессов на поверхности жидкости, например для определения высоты волн на поверхности моря.The invention relates to measuring equipment, and in particular to devices for measuring the parameters of surface waves of liquids. This device can be used in geophysics to study wave processes on the surface of a liquid, for example, to determine the height of waves on a sea surface.

Известен дискретный уровнемер (п. РФ №2292017, опубл. 20.01.2007), в котором для измерения уровня жидкости применяется вертикально ориентированный стержень, с закрепленными на нем герконами (герметизированный магнитоуправляемый контакт), вдоль которых скользит поплавок с магнитом, вызывающий срабатывание тех герконов, в непосредственной близости от которых в данный момент времени он находится. В известном устройстве уровень жидкости определяется по положению поплавка относительно стержня. Однако сигнал данного устройства носит дискретный характер и чувствительность его ограничена шагом размещения герконов, который не может быть выбран произвольно малым в связи с недостаточно локальным воздействием магнитного поля на герконы.A discrete level gauge is known (clause of the Russian Federation No. 2292017, published January 20, 2007), in which a vertically oriented rod with reed switches mounted on it (a sealed magnetically controlled contact) is used to measure the liquid level, along which a float with a magnet slides causing the reed switches to trip , in the immediate vicinity of which at a given time it is located. In the known device, the liquid level is determined by the position of the float relative to the rod. However, the signal of this device is discrete in nature and its sensitivity is limited by the step of placing the reed switches, which cannot be arbitrarily small due to the insufficiently local influence of the magnetic field on the reed switches.

Известно устройство для исследования волновых процессов с применением акустических сигналов, излучаемых в направлении дна и поверхности моря (п. США №3910111, опубл. 07.10.1975). Известное устройство состоит из плавучей платформы, с вертикально расположенными плавучими основаниями, к одному из которых под водой прикреплен излучатель и приемник, обеспечивающие измерение расстояния до дна и до поверхности моря. Однако подобные приборы отличаются технической сложностью. Кроме того, наклоны приемопередатчика, связанные с наклонами платформы при волнении, вызывают искажение измеряемых дистанций, что приводит к ряду погрешностей измерений.A device for studying wave processes using acoustic signals emitted in the direction of the bottom and surface of the sea (p. US No. 3910111, publ. 07.10.1975). The known device consists of a floating platform, with vertically located floating bases, to one of which a radiator and a receiver are attached underwater, which measure the distance to the bottom and to the sea surface. However, such devices are characterized by technical complexity. In addition, the inclination of the transceiver associated with the inclination of the platform during a wave causes a distortion of the measured distances, which leads to a number of measurement errors.

Наиболее близким по назначению к заявляемой полезной модели является устройство для измерения поверхностного волнения моря, представляющее собой плавающий на поверхности воды поплавок, к нижней части которого присоединен герметичный контейнер, содержащий в качестве датчика для измерения поверхностного волнения акселерометр с осью чувствительности, ориентированной вертикально, и электронный измерительный блок. Двойное интегрирование выходного сигнала акселерометра, осуществляемое с помощью двух последовательно стоящих интеграторов, размещенных в электронном измерительном блоке, позволяет получить информацию о вертикальном перемещении поплавка на взволнованной поверхности моря. В верхней части поплавка находится антенна, передающая сигналы в пункт их приема и обработки, который может находится как на берегу, так и на борту судна, (п. США №3769838, опубл. 06.11.1973).The closest in purpose to the claimed utility model is a device for measuring surface waves of the sea, which is a float floating on the surface of the water, to the lower part of which is attached a sealed container containing an accelerometer with a sensitivity axis oriented vertically as an sensor for measuring surface waves, and an electronic measuring unit. The double integration of the output signal of the accelerometer, carried out using two sequentially standing integrators located in an electronic measuring unit, allows you to obtain information about the vertical movement of the float on an agitated surface of the sea. In the upper part of the float is an antenna that transmits signals to the point of their reception and processing, which can be located both on the shore and on board the vessel (US No. 3769838, publ. 06.11.1973).

К сожалению, заявляемое устройство имеет ограничение в области низких частот, связанное с трудностями измерений акселерометром низкочастотных ускорений. Кроме того, качка устройства при волнении водной поверхности приводит к погрешностям измерений. Данное устройство является также технически сложным. В силу своей автономности оно требует периодического возобновления запаса энергии и постоянного наблюдения со стороны обслуживающего персонала с целью предотвращения потери поплавка в результате, например, ветрового дрейф. Это требует привлечения дополнительных ресурсов, средств поиска и наблюдения и приводит к снижению оперативности при работе с устройством.Unfortunately, the claimed device has a limitation in the field of low frequencies, associated with the difficulty of measuring the accelerometer of low-frequency accelerations. In addition, the rocking of the device when the water surface is rough leads to measurement errors. This device is also technically sophisticated. Due to its autonomy, it requires periodic renewal of the energy supply and constant monitoring by the maintenance staff in order to prevent the loss of the float as a result of, for example, wind drift. This requires the attraction of additional resources, search and monitoring tools and leads to a decrease in efficiency when working with the device.

Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента измерителей поверхностного волнения жидкостей.The objective of the claimed utility model is to expand the range of meters of surface waves of liquids.

Технический результат заявляемого устройства - повышение точности измерений, конструктивная простота, удобство эксплуатации, а также оперативность.The technical result of the claimed device is to increase the accuracy of measurements, structural simplicity, ease of use, as well as efficiency.

Поставленная задача решается измерителем поверхностного волнения, состоящим из несущей трубы, в верхней части которой вертикально установлен емкостной датчик поверхностного волнения, соединенный с электронным измерительным блоком, находящимся в герметичном контейнере, поплавка, размещенного в средней части несущей трубы, а также троса, установленного в несущей трубе с возможностью регулирования его длины и снабженного якорем.The problem is solved by a surface wave meter, consisting of a carrier pipe, in the upper part of which a capacitive surface wave sensor is vertically mounted, connected to an electronic measuring unit located in an airtight container, a float located in the middle of the carrier pipe, as well as a cable installed in the carrier pipe with the ability to adjust its length and equipped with an anchor.

Блок-схема заявляемого устройства приведена на фиг., где1 - несущая труба, 2 - емкостной датчик поверхностного волнения, 3 - поплавок, 4 - трос 5 - якорь, 6 - герметичный контейнер, включающий электронный измерительный блок, 7 - фиксатор троса.A block diagram of the inventive device is shown in Fig., Where 1 is a support pipe, 2 is a capacitive sensor of surface waves, 3 is a float, 4 is a cable 5 is an anchor, 6 is a sealed container that includes an electronic measuring unit, 7 is a cable clamp.

Емкостной датчик (2) поверхностного волнения расположен вертикально в верхней части несущей трубы (1) и пересекает поверхность жидкости при постановке устройства в исследуемый район. Датчик (2) представляет собой электрически изолированный стержень, расположенный между двумя электропроводящими пластинами. Стержень и пластины образуют обкладки электрической емкости, величина которой зависит от соотношения погруженной и не погруженной частей датчика.The capacitive sensor (2) of surface waves is located vertically in the upper part of the carrier pipe (1) and crosses the surface of the liquid when placing the device in the study area. The sensor (2) is an electrically insulated rod located between two electrically conductive plates. The rod and plates form the plates of the electric capacitance, the value of which depends on the ratio of the immersed and non-immersed parts of the sensor.

Электронный измерительный блок, (на фиг. не показан) предназначенный для сбора, регистрации и передачи информации, расположен в герметичном контейнере (6) в верхней части несущей трубы (1) и может быть выполнен в виде соединенных между собой источника питания, генератора, оптрона и микропроцессора. Электрически изолированный от пластин стержень датчика (2) посредством гермоввода в герметический контейнер (6) соединяется с одним из контактов генератора, служащим для подключения емкости, второй из контактов генератора, служащий для подключения емкости, соединяется с корпусом герметического контейнера, (6) который, в свою очередь, электрически и механически соединен с пластинами датчика (2). Сбор информации в виде цифровых кодов осуществляется микропроцессором при условии оборудования его автономной системой сбора и хранения информации, например в виде контроллера с флэш памятью или передается по кабелю на береговой пост, что позволяет использовать полученную информацию в реальном времени и решает задачу оперативности заявляемого устройства.An electronic measuring unit (not shown in FIG.) Designed to collect, register and transmit information is located in an airtight container (6) in the upper part of the carrier pipe (1) and can be made in the form of a connected power source, generator, optocoupler and microprocessor. The sensor rod (2), electrically isolated from the plates, is connected by means of a hermetic lead into the airtight container (6) to one of the generator contacts, which serves to connect the tank, the second of the generator contacts, which serves to connect the tank, is connected to the body of the hermetic container, (6) which, in turn, electrically and mechanically connected to the sensor plates (2). Information is collected in the form of digital codes by the microprocessor, provided it is equipped with an autonomous system for collecting and storing information, for example, in the form of a controller with flash memory or transmitted via cable to the coastal post, which allows the use of the received information in real time and solves the problem of efficiency of the claimed device.

Для уменьшения температурной погрешности и повышения точности измерений устройство может быть дополнительно снабжено датчиком температуры, расположенным, например, на гермоконтейнере. Опрос датчика температуры, вычисление значений температуры выполняются непосредственно микроконтроллером в реальном масштабе времени.To reduce the temperature error and improve the measurement accuracy, the device can be additionally equipped with a temperature sensor located, for example, on a pressure container. Interrogation of the temperature sensor, calculation of temperature values are performed directly by the microcontroller in real time.

Конкретная аппаратурная реализация электронного измерительного блока, емкостного, температурного датчиков является стандартной и зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, быстродействия.The specific hardware implementation of the electronic measuring unit, capacitive, temperature sensors is standard and depends on the task of measurement, the required accuracy, speed.

Для получения большого восстанавливающего момента с целью уменьшения размаха колебаний измерителя при волнении жидкости и снижения возникающих при этом погрешностей несущая труба (1) измерителя выполнена таким образом, чтобы разнести на достаточно большое расстояние точки приложения горизонтальных сил якоря (5)и поплавка (3).In order to obtain a large reducing moment in order to reduce the amplitude of the oscillations of the meter during fluid oscillations and to reduce the errors that arise in this case, the carrier tube (1) of the meter is designed to spread the points of application of the horizontal forces of the armature (5) and the float (3) to a sufficiently large distance.

Для удобства изготовления, транспортировки, хранения несущая труба (1) может быть выполнена разъемной.For ease of manufacture, transportation, storage, the support pipe (1) can be made detachable.

Якорь (5) крепится к нижней части несущей трубы (1) посредством троса (4), который проходит через всю трубу и фиксируется в ее верхней части фиксатором троса (7), выполненным любым известным способом. Длина троса (4) определяется глубиной места исследуемого района и таким расположением емкостного датчика (2) поверхностного волнения на несущей трубе (1), чтобы он пересекал поверхность жидкости.An anchor (5) is attached to the lower part of the carrier pipe (1) by means of a cable (4), which passes through the entire pipe and is fixed in its upper part by a cable clamp (7) made in any known manner. The length of the cable (4) is determined by the depth of the area under study and the location of the capacitive sensor (2) of surface waves on the support pipe (1) so that it intersects the surface of the liquid.

Степень погружения датчика (2) по глубине точно регулируется путем смещения несущей трубы (1) вдоль троса (4).The immersion degree of the sensor (2) in depth is precisely controlled by moving the support pipe (1) along the cable (4).

Поплавок (3) который, размещается в средней части несущей трубы (1), используют для натяжения троса (4).The float (3) which, is located in the middle part of the supporting pipe (1), is used to tension the cable (4).

Принцип работы измерителя поверхностного волнения основан на измерении электрической емкости С_д конденсатора, обкладки которого пространственно расположены вдоль вертикальной оси так, что свободная поверхность жидкости пересекает их при любых измеряемых уровнях поверхности жидкости. Благодаря тому, что диэлектрическая проницаемость воды примерно в 10 раз больше диэлектрической проницаемости воздуха, имеет место соотношение:The principle of operation of the surface wave meter is based on measuring the electric capacitance C _{d of the} capacitor, the plates of which are spatially arranged along the vertical axis so that the free surface of the liquid intersects them at any measured level of the surface of the liquid. Due to the fact that the dielectric constant of water is approximately 10 times greater than the dielectric constant of air, there is a relation:

где h - уровень поверхности жидкости или это расстояние между дном и поверхностью жидкости, k₀ - коэффициент а С_п - емкость, не зависящая от уровня поверхности жидкости hwhere h is the level of the surface of the liquid or this is the distance between the bottom and the surface of the liquid, k ₀ is the coefficient a C _p is the capacity independent of the level of the surface of the liquid h

Для измерения С_д установлен генератор, запитываемый от гальванически не связанного с цепями микропроцессора источника питания, производящий импульсы, частота следования которых F зависит от емкости следующим образом:To measure C _d, a generator is installed, powered from a power source that is not galvanically connected to the microprocessor circuits and produces pulses whose repetition rate F depends on the capacitance as follows:

где k₁ - коэффициент.where k ₁ is the coefficient.

Выход генератора через оптронную развязку соединен с измерителем частоты, выполненном на микропроцессоре, который осуществляет подсчет количества импульсов N, вырабатываемых генератором за определенное время, задаваемое имеющимся в микропроцессоре таймером. Оптронная развязка выполнена на диодно-транзисторном оптроне и применяется, так же как и отдельный источник питания генератора, для устранения влияния на генератор электромагнитных наводок. Таким образом, устанавливается зависимость:The output of the generator through an optocoupler isolation is connected to a frequency meter made on a microprocessor, which counts the number of pulses N generated by the generator for a certain time specified by the timer available in the microprocessor. Optocoupler isolation is performed on a diode-transistor optocoupler and is used, as well as a separate generator power source, to eliminate the effect of electromagnetic interference on the generator. Thus, the dependence is established:

где k₂ - коэффициент.where k ₂ is the coefficient.

Обрабатывая по заданному алгоритму полученные числа N, вычисляют величину h.Processing the obtained numbers N according to a given algorithm, calculate the value of h.

Заявляемое устройство работает следующим образом:The inventive device operates as follows:

Постановка устройства в исследуемый район осуществляется в сборе. Устройство крепится якорем (6) на дне моря. При погружении в море устройства емкостный датчик (2) поверхностного волнения частично заполняется водой, причем соотношение заполненной и незаполненной частей изменяется в зависимости от изменений уровня воды в данной точке, так как расстояние датчика от дна есть величина постоянная. При этом изменяется электрическая емкость датчика (2), которая, в свою очередь, вызывает изменения частоты генератора, к которому он подключен. Частота генератора измеряется микропроцессором, и далее в цифровом виде может либо храниться в микроконтроллере с флэш-памятью, либо передается по кабелю на береговой пост потребителю информации, который, путем расчетов, может определить уровень воды как функцию времени, и, соответственно, высоту волны в текущий момент времени.The device is placed in the study area is carried out in the assembly. The device is fastened with an anchor (6) at the bottom of the sea. When the device is immersed in the sea, the capacitive sensor (2) for surface waves is partially filled with water, and the ratio of filled and unfilled parts changes depending on changes in the water level at this point, since the distance of the sensor from the bottom is constant. In this case, the electric capacitance of the sensor (2) changes, which, in turn, causes changes in the frequency of the generator to which it is connected. The frequency of the generator is measured by the microprocessor, and then in digital form it can either be stored in a microcontroller with flash memory, or transmitted via cable to the coastal post to the consumer of information, which, by calculation, can determine the water level as a function of time, and, accordingly, the wave height in current time.

Таким образом, конструктивное выполнение заявляемого устройства, а также использование емкостного датчика поверхностного волнения приводит к повышению точности измерений, позволяет оперативно получать результаты измерений в реальном времени, обладает конструктивной простотой, а также удобно в эксплуатацииThus, the constructive implementation of the inventive device, as well as the use of a capacitive sensor of surface waves, increases the accuracy of measurements, allows you to quickly obtain measurement results in real time, has constructive simplicity, and is also convenient to operate

Claims

1. A surface wave meter consisting of a carrier pipe, in the upper part of which a capacitive surface wave sensor is vertically mounted, connected to an electronic measuring unit located in an airtight container, a float located in the middle of the carrier pipe, as well as a cable installed in the carrier pipe with the possibility of adjusting its length and equipped with an anchor.

2. The surface wave meter according to claim 1, characterized in that the meter is additionally equipped with a temperature sensor.

3. The surface wave meter according to claim 1, characterized in that the carrier pipe is detachable.