устройство для определения профиля волнения

Формула изобретения

Устройство для определения профиля волнения, включающее свободно плавающий буй с флюгером и затопленным грузом, первой акселерометр, ориентированный параллельно невозмущенной водной поверхности, второй акселерометр, ориентированный перпендикулярно первому, схему обработки информативных сигналов, содержащую умножитель, источник опорного напряжения, двойной интегратор и регистратор, отличающееся тем, что схема обработки информативных сигналов дополнительно содержит последовательно соединенные интегратор и устройство осреднения, таймер, устройство задержки, при этом выход первого акселерометра подсоединен к интегратору, второй вход умножителя соединен с источником опорного напряжения, выход таймера через устройство задержки соединен с входом сброса устройства осреднения, выход умножителя и таймера непосредственно и выход второго акселерометра через двойной интегратор соединены с регистратором профиля волнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности для измерения параметров ветровой волны и может быть использовано, например, при метеорологических и океанографических исследованиях.

Существуют различные способы определения профиля волнения. Один из них основан на регистрации изменяющейся напряженности магнитного поля, возникающего в слое, охваченном волнением (авт.св. N 1091021). Недостатком такого способа является погрешность измерений при наличии возмущающих электромагнитных полей. Известен способ определения профиля морского волнения, заключающийся в облучении поверхности импульсом света, с авианосителя, приеме отраженного излучения и определения параметров волнения по характеристикам сигнала обратного рассеяния (авт.св. N 1242714). К недостаткам способа относится влияние погодных условий на возможность проведения измерений, а также высокая стоимость проведения работ, связанная с использованием авианосителя. Известен также способ определения профиля волнения, основанный на механической регистрации пишущих элементов положений поплавка на волне (авт. св. N 527592). Недостатком способа является погрешность определения профиля, связанная с наличием кинематических связей поплавка с самописцем, наличие носителя записи, а также сложность в эксплуатации.

В качестве прототипа выбран способ определения профиля волнения, реализованный в инерциальном волнографе, выполненном по заявке на изобретение N 4497433 от 24.10.88 с решением о выдаче авторского свидетельства от 30.01.90.

Способ определения профиля волнения основан на измерении вертикальной координаты профиля с помощью акселерометрических датчиков волнения, установленных на свободно плавающем буе. При определении вертикальной координаты профиля осуществляют коррекцию информативного сигнала, пропорционального вертикальным ускорениям буя. Коррекция включает выделение и компенсацию из информативных сигналов акселерометрических датчиков сигналов по углу наклона акселерометра относительно вертикали и составляющей от ускорения свободного падения. Скорректированный выходной сигнал, соответствующий вертикальной координате профиля, регистрируется в реальном масштабе времени.

Недостатком прототипа является погрешность определения профиля волнения, связанная с неравномерной скоростью движения буя под действием волнения.

Известны различные устройства для определения профиля волнения. Одним из них является механический регистратор волновых колебаний уровня водной поверхности (авт.свид. N 777428). Принцип действия основан на регистрации пишущим элементом перемещений поплавка под действием волны.

Наличие в устройстве записывающей его части и носителя записи ограничивает время непрерывной регистрации профиля, а также снижает надежность работы устройства. Известно также устройство, принцип действия которого основан на регистрации изменений электрических параметров стержневого электрода, возникающих при изменении уровня водной поверхности (авт.св. N 820365). Недостатком устройства является погрешность измерения, связанная с коррозией электрода, имеющего контакт с морской средой.

В качестве прототипа выбран инерциальный волнограф, выполненный по заявке на изобретение N 4497433 от 24.10.88 с решением о выдаче авторского свидетельство от 30.01.90, как наиболее близкий по конструктивному решению и по используемой схеме обработки. Волнограф содержит свободно плавающий буй с флюгером и затопленным грузом. На волнографе расположены три акселерометра. Два акселерометра ориентированы перпендикулярно невозмущенной водной поверхности и равноудалены от центра масс буя в плоскости флюгера. Третий акселерометр закреплен в центре масс буя и ориентирован перпендикулярно первым двум. Схема обработки информативных сигналов организована следующим образом. Выходы вертикально ориентированных акселерометров связаны со входами сумматора и первого разностного усилителя, выход которого через первый двойной интегратор и первый функциональный преобразователь связан с первым входом первого делителя, а со вторым его входом связан выход сумматора. Выход первого делителя, а также выход первого источника опорного напряжения соединены через второй разностный усилитель, второй делитель и второй интегратор с регистратором профиля волнения. Выход первого двойного интегратора через второй функциональный преобразователь соединен с первым, а первый функциональный преобразователь со вторым входом четвертого делителя, выход которого соединен со входом умножителя непосредственно и через квадратор со входом второго сумматора, второй вход которого соединен со вторым источником опорного напряжения, а выход со входом второго делителя, связывающего выход второго разностного усилителя и вход второго двойного интегратора, выход третьего акселерометра соединен с третьим входом второго разностного усилителя через последовательно соединенные третий разностный усилитель, третий делитель и умножитель, выход второго функционального преобразователя соединен со вторым входом третьего разностного усилителя через масштабный усилитель, а выход первого функционального преобразователя соединен со вторым входом третьего делителя.

Недостатком прототипа является погрешность определения профиля волнения, связанная с неравномерной скоростью движения волнографа.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе определения профиля волнения, включающем измерение вертикальной координаты профиля относительно движущегося носителя через определенные интервалы времени с последующей коррекцией координат профиля, дополнительно измеряют горизонтальную координату профиля волнения на каждом заданном интервале времени, для чего измеряют среднюю скорость движения носителя в эти интервалы и по горизонтальным и вертикальным координатам судят о профиле волнения.

В устройстве для определения профиля волнения, включающем свободно плавающий буй с флюгером и затопленным грузом, первый акселерометр, ориентированный параллельно невозмущенной водной поверхности, второй акселерометр, ориентированный перпендикулярно первому, и регистратор, схема обработки информативных сигналов содержит последовательно соединенные интегратор, устройство осреднения и умножитель, источник опорного напряжения, таймер, устройство задержки, двойной интегратор, при этом выход первого акселерометра подсоединен к интегратору, второй вход умножителя соединен с источником опорного напряжения, выход таймера через устройство задержки соединен со входом сброса устройства осреднения, выход умножителя и таймера непосредственно и выход второго акселерометра через двойной интегратор соединены с регистратором профиля волнения.

Таким образом, повышение точности измерения профиля волнения с движущегося носителя достигается за счет дополнительного измерения горизонтальной координаты профиля. Для вычисления горизонтальной координаты проводится измерение средней скорости носителя на измеряемом интервале времени, что определяет приращение горизонтальной координаты. Таким образом уменьшается погрешность определения профиля, вызванная наличием скорости движения носителя.

На чертеже изображена структурная схема обработки информативных сигналов, где 1 горизонтально ориентированный акселерометр, 2 вертикально ориентированный акселерометр, 3 таймер, 4 устройство задержки, 5 - интегратор, 6 двойной интегратор, 7 источник опорного напряжения, 8 - устройство осреднения, 9 умножитель, 10 регистратор.

Горизонтально ориентированный акселерометр 1 через последовательно соединенные интегратор 5 и устройство осреднения 8 соединен с первым входом умножителя 9. Второй вход умножителя 9 соединен с источником опорного напряжения 7. Выход таймера 3 через устройство задержки 4 соединен со вторым входом устройства осреднения 8. Выход вертикально ориентированного акселерометра 2 через двойной интегратор 6, выход таймера 3 и умножителя 9 соединены с регистратором профиля волнения 10.

Конструкция устройства для определения профиля волнения может быть выполнена в виде свободно плавающего на водной поверхности поплавка, на котором закреплены заглубленный груз, обеспечивающий устойчивость конструкции, и флюгер, ориентирующий устройство по направлению распространения волны. В поплавке установлены жестко связанные между собой два акселерометра, ориентированные взаимно перпендикулярно.

Измерение профиля волнения проводится следующим образом. При ветровом волнении измерительная система совершает колебания. Вертикально и горизонтально ориентированные относительно невозмущенной водной поверхности акселерометры 2, 1 выдают сигналы, пропорциональные соответственно ускорениям поплавка в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Интегратор 5 формирует сигнал, пропорциональный скорости движения устройства в горизонтальной плоскости. Этот сигнал за определенный интервал времени между моментами измерения, задаваемыми таймером 3, осредняется в устройстве 8. Осредненный сигнал, пропорциональный горизонтальной скорости движения, подается на умножитель 9, на второй вход которого подается сигнал с источника опорного напряжения 7, пропорциональный временному интервалу измерения. Таким образом выходной сигнал умножителя 9 определяет приращение горизонтальной координаты профиля волнения. Для получения информации о вертикальной координате профиля волнения сигнал с вертикально ориентированного акселерометра 2 дважды интегрируются в устройстве 6. По сигналу с таймера 3 об окончании временного интервала измерения информация о координатах профиля волнения записывается регистратором 10. Этот же сигнал с таймера 3 подается на устpойство временной задержки 4 и далее на вход сброса устройства осреднения 8, обнуляя его. Время задержки определяется временем записи регистратором 10 информации о координатах профиля с умножителя 9 и двойного интегратора 6.

После обнуления устройства осреднения 8 происходит определение координат профиля волнения в следующий временной интервал измерения.

В качестве акселерометров могут быть использованы датчики типа ДЛУММ. Источник опорного напряжения, устройство осреднения могут быть выполнены на базе операционных усилителей серии 140 (Лихачев В.Д. Практические схемы на операционных усилителях. М. Изд-во ДОСААФ СССР, 1981, с. 80), умножитель на базе микросхем серии 525 (Алексенко А.Г. Коломбет Е.А. Стародуб Т.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М. Радио и связь, 1981, с. 224), таймер, устройство задержки на базе микросхем серии 564 (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. М. Радио и связь, 1988, с. 176). Интеграторы могут быть выполнены, например, с частотно-зависимыми обратными связями, позволяющими проводить интегрирование в заданном диапазоне частот (Дубинский Ю.В. Ференец А. В. Инерциальный преобразователь вертикальной скорости. Система и элементы электрооборудования летательных аппаратов. Межвузовский сборник, Казань. 1986, с.89 92). В качестве регистратора может быть использован шлейфовый осциллограф, магнитный накопитель и т.д.

Таким образом, данный способ определения профиля волнения на примере устройства, его реализующего, показывает, что в процессе определения профиля волнения происходит повышение точности измерения.