Устройство для определения параметров внутренних волн в жидкости

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕ-п НИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В ЖИДКОСТИ, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противополож ных стенках волнопродуктор и гаситель воли, датчики колебаний, раз (мещениые в жидкости, и блок измерения , отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений , датчики колебаний выполнены S виде поплавков нейтральной -плавучести с размещенными на них источниками света и линзами, обращенными ко дну лотка, а в последнем выполнены П1юзрачные окна, через которые датчики взаимодействуют с блол ял измерения. 2. Устройство ПОП.1, отлича н щ в ее я тем, что, с целью упрои ния устройства, блок измерения выполнен 3 Виде лентопротяжного механизма со светочувствительной бумагой . 1C да

СОЮЗ СОВЕТСКИХ и й

РЕСПУБЛИК

Эц G 01 Í 3/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ йй ssòsssíèà ссиатсвъствт

ГОСУДАРСТВЕКНЫй КОМИТЕТ Ссср и й" и (21) 3235122/18-28 (25) 3246257/18-28 (22) 12.01.81 (46) 30.06.83. Бюл. в 24 (72) A.Е.Букатов, A.H.Парамонов, A.Ô.Ïåòðóõíîâ и Л.ВйЧеркесов (71) Морской гидрофизический институт AH Украинской CCP (53) 534.14(088.8) (56) l. Физика атмосферы и океана.

Известия AH СССР. М., т.Хlу, 1,978, . с.1216.

2. Т.йuld Mech. (Printed in

Great Britain), 1974, v.63, part 4, р. 773-800 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕН

НИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН В

ЖИДКОСТИ, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности,,Я0.„1026019 А размещенные в нем на противополож ных стенках волнопродуктор и гаси. тель волн, датчики колебаний, раз1мещенные в жидкости, и блок измерения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, датчики колебаний выполнены в виде поплавков нейтральной .плавучести с размещенными на ннх источниками.света и линзами, обращенными ко дну лотка, а в последнем выполнены прозрачные окна, через которые датчики взаимодействуют с бло.ком измерения.

2. Устройство по п.l, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью упро- . щения Устройства, блок измерения вы- pg полнея в виде лентопротяжного механизма со светочувствительной бумагой.

1026019

Изобретение относится к средствам исследования внутренних волн в лабораторных условиях и может быть использовано при проведении экспериментального определения параметров внутренних волн в жидкости. 5 Известно устройство для лабораторных исследований параметров внут- ренних волн.на свободной поверхности жидкости, содержащее лоток, изготовленный из органического стекла, 10 волнопродуктов, имеющий форму клина и связанный механически с валом мотора с регулируемой скоростью вращения, датчики для измерения перемещения свободной поверхности жидкости, На боковую стенку лотка нанесена масштабная сетка. Лоток за полнен жидкостями, имеющими различную плотность. Верхний слой жидкости окрашен, что позволяет- осущест- о влять визуализацию внутренних волн только на границе раздела слоев жидкости fl) °

Недостатки этого устройства заклю%аются В тОм чтО ОнО пОЭВОля- 25 ет только визуально определить па,раметры внутренних волн, волнопродуктор клиновидной формы генерирует одновременно не толЬко внутренние волны, но и поверхностные, не" возможно измерять вертикальную скорость перемещения фиксированной точки границы раздела двух жидкостей с различной плотностью (на глубине максимального градиента), при проведении эксперимента необходимо присутствие экспериментатора„ отсутствует автоматизация процесса измерения параметров внутренних волн.

Наиболее близким по своей сущности к изобретению является устройст-. .4p во для определения параметров внутренних воли В жидкости, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противоположных стенкам волно- 4с; продуктор и гаситель волн, датчики колебаний, размещенные. в жидкости, и блок измерения $2) .

Недостатками известного устройства являются ограниченность измери- 50 тельных возможностей при измерении параметров внутренних волн., поскольку измеряется только волновое дав.- ление внутренней волны, устройство имеет узкое назначение (только для исследования взаимодействия внутрен. них волн со свободной поверхностью жидкости), волновое давление внутренней волны определяется контактным методом посредством введения датчика в жидкости, что искажает ис- 60 следуемую волновую структуру и снижает точность измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений и упрощение,устройства. 65

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения па раметров внутренних волн в жидкости, содержащем, лоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в нем на противоположных стенках волнопродукт и гаситель волн, датчики колебаний, размещенные в жидкости, и блок. измерения, датчики колебания Выполнены в виде поплав-. ков нейтральной плавучести с размещенными на них источниками сЪета и линзами, обращенными ко дну,лотка, а в последнем выполнены прозранные окна, через которые датчики взаимодействуют с блоком измерения.

Кроме того, блок измереиия выполнен в виде лентопротижного механизма со светочувствительной бумагой.

На фиг.l изображена схема устройства для определения параметров внутренних волн в жидкости; на фиг.2 .разделение оптического потока, идущего от поплавка; на фиг.3 и 4 — варианты кОнструкции поплавков с жестким и шарнирным креплениями источ ника света соответственно; на» фиг.5 предельные положения поплавка на внутренней волне; на фиг. 6 и 7 — моменты распространения первой и последующих воли соответственно; на фиг.8 возможное расположение поплавков,. вид сверху; на фиг.9 — вариант устройства с блоком измерения в виде лентопротяжного механизма; на фиг. 10то же, вид А; на фиг.ll — крайние положения поплавков и соответствующие им изображения на светочувствительной бумаге; на фиг.12 — вид.снятой информации.

Устройство для определения параметров внутренних волн в жидкости содержит лоток 1, заполняемый жидкостями разной плотности, например керосином 2 плотностью „ и чистой водой 3 плотностью t)> (P<

На границе раздела А, поверхности небольшого градиента плотности жидкости, расположены два датчика колебаний, выполненные в виде поплавков б:и 7 нейтральной плавучести, установленных иа расстоянии S один от другого. В дне лотка 1 выполнены про-.. зрачные окна 8, например,из стекла, под которыми расположен блок измерения, состоящий из светоделительных пластин 9 и 10, датчиков 21 и 12 освещенности, позиционно-чувствительных датчиков 13 и 14 смещения, аналогоцифровых преобразователей 15-18,сое-. диненного с ними блока 19 управления, преобразователя 20 параллельного ко- . да в последовательный и регистратора 21. Датчик 11 Имеет приемную плас1026019

n< — п

65 тину 22 (фиг. 2), а датчик 12 - полупроводниковую пластину 23 с омическими, контактами 24-27, кольцевым электродом 28 и связанным с ним контактом 29. В центре кольцевого электрода 28 расположен модулирующий электрод 30.

Поплавки 6 и 7 состоят из герметичного корпуса 31, з котором расположен, балласт 32 и блок 33 питания, источник 34 света и линза 35 (Фиг..3).

Поплавки .6 и 7 могут быть выполнены (фиг.4) с подвеской 36, на ко-, торой крепится линза 35 и источник

34 света. Подвеска 36 подвешена к торцу поплавка через шарнир 37. Контакты и провод источника света, идущий к блоку питания, защищены от контакта с жидкостью, и провод вхо-. дит в поплавок через гермоввод (не .доказан ).

Устройство. также содержит блок измерения, выполненный в виде лентопротяжного механизма, состоящего из двух пар катушек 38 -и 39 с электроприводом 40 с размещенной на катушках светочувствительной бумагой 41

Устройство работает следующим образом.

C помощью волнопродуктора 4 генерируют плоскую внутреннюю волну в области поверхности А . Профиль волны распространяется от волнопродуктора до первого поплавка б нейтральной плавучести. (Фиг.l), который начинает колебаться, а через некоторое время начинает колебаться поплавок 7 (Фиг.7). Так как поплавки 6 и 7 имеют нейтральную плавучесть (они отрегулированы с помощью балласта 32), то они перемещаются совместно с жидкостью, отслеживая внутреннюю волну тем точнее, чем точнее достигнута нейтральная плавучесть. Во время начала колебания поплавка начинает изменяться освещенность светового потока, идущего от точечного источника 34 света, находящегося на поплавках и падающего на приемную пластину 22 (Фиг.2) датчиков ll и 12.

Так как,имеются- светоделительные пластины,9 и 10, то вторая часть светового потока принимается датчиками 13 и 14 смещения. Световой поток s исходном положении поплавка спроектирован в центр полупроводниковой гластины 23. К кольцевому электроду 28 через контакт 29 подводится синусоидальное напряжение относительно точечного модулирующего электрода 30. Ввиду незначительной толщины полупроводниковой пластины 23 можно считать, что электричес кое поле имеет только составляющую, направленную параллельно поверхности пластины. В этом случае неравновесные носители, созданные световым пятном I на поверхности пластины,диффундируют в радиальном электрическом поле, которое периодически изменяет закон их распределения.

Если. иэображение находится в цент5 ре пластины 23, потенциалы противоположных омических контактов 24, 27 и 26, 25 равны,и снимаемая разность потенциалов райна нулю. При смещении изображения относительно центра оми(О ческие контакты 24-27 (фиг.2) оказываются B зонах с различной концентрацией неравновесйых носителей тока, . и им будут соответствовать различные потенциалы, разность которых пропорциональна величине смещения изображения В, 6 (фиг.8). Светоделительные пластины 9 и 10 и датчики ll.14 принимают световой поток от каждого поплавка, преобразуют в электри ческий сигнал, измеряют блоком измерения. и выводят на регистратор 21, который может быть цифропечатающим устройством, магнитньм накопителем и т.п.

Устройство позволяет Фиксировать

25 время t от момента совершения пер/ вого полного колебания поплавка 6 до момента снятия показаний и измерять число вертйкальных колебаний п подлавка, фиксировать время t от

З0 момента совершения первого полного колебания второго поплавка 7 до момента снятия показаний и измерять за этот интервал времени число его вертикальных колебаний n . Одновре35 менно измеряют смещение в горизонтальной плоскости поплавков б и 7 относительно датчиков 13 и .14 и по этим смещениям определяют (фиг.8)

:проекцию L расстояния 3 между по40 плавкаии б и 7 на направление распространения волн

«» 8а. 8g.» где 6<, 6g - смещение поплавков относительно своего исходного положения;.

Я - проекция расстояния меж-. ду повлавками на направ-. ление распространения волны при исходном иэ50 вестиом положении поплав-. ков.

Используя измеренные данные, определяют параметры внутренних волн, - длину и волны по Формуле

55 у, Я и(- n< фаэовую скорость Ч, внутренней волны до формуле

1 2 период Т внутренней волны по формуле

1026019 где п — число полных колебаний пЕрвого поплавка за время — 3

n — число полных колебаний втой рого поплавка за время

t5 t2i 5 момент времени достижения первого от начала колебания гребня первым от волнопродуктора поплавком;

t — момент времени достижения 10 первого от начала колеба-. ний гребня вторым поплавком;

t — момент времени снятия показаний. 15

Количество колебаний п и и< определяют по показаниям освещенности, которая в зависимости от положения поплавка имеет различные значения. При верхнем положении поплав" ков имеет место освещенность Е ;„, при самом нижнем — освещенность Е®д„ плоскости, относительно которой перемещаются поплавки.

Следовательно, устройство позволяет получить величины (в цифрах), соответствующие Еп„„ и EIIIz<, и, следовательно, можно сказать, сколько сделали колебаний поплавки 6 и 7.

При выполнении блока измерения в виде лентопротяжного механизма уст30 ройство работает следующим образом.

Включают одновременно волнопродуктор 4 для генерации внутренней волны и электродвигатель 40, происходит перематывание, например све- 35 точувствительной бумаги 41. Световой поток (фиг.9 и 11), идущий от источника 34 света, пройдя через линзу 35, проецируется на свето.чувствительную бумагу 41. 40

Под действием внутренней волны начинает колебаться первый попла,вок 6, вследствие чего уменьшается или увеличивается диаметр светово-.

„го пятна, которое . отпечатывается на светочувствительной бумаге 41 как засвеченное пятно (фиг.9 и 11), Так как вал лентопротяжного механизма вращается, возможно с помощью вращающегося диска (не показан), закрепленного на нем и имеющего отверстия, через которые проходит дополнительный световой поток, отмечать время на дорожке светочувствительной бумаги 41 что позволяет определять момент времени достижения первого от начала колебаний гребня волны первым поплавком 6 .и момент времени tg достижения первого от начала колебаний гребня волны вторым поплавком 7.

По световым пятнам, фиксирующим колебания поплавков, обусловленные внутренними волнами, определяют число п1 полных колебаний первого и число и 1 колебаний второго поплав- 65 ков.от .моментов времени t и tq соответственно до момента времени t снятия показаний (t > tq> t ) ., Зная расстояние б (фиг.12) между лентами светочувствительной бумаги и расстояния 1 и 8q (81, 3> =д/2+b где d — диаметр пятна; Ь (, g — расстояние от световых полос до внут.— ренних краев первой и второй бумажных лент.(до светового пятна), определяют длину проекции S расстояния между точечными источниками света первого и второго поплавков на направление распространения волн (фиг.12), длину Я, фаэовую скорость

V и период Т внутренней волны. Затем измеряют диаметр светового пятна на бумаге (фиг.11 и 12), соответствующий положению поплавка на подошве волны (световое пятно с наименьшим диаметром d ), и диаметр светового

t пятна йа бумаге, соответствующий положению поплавка на вершине волны (световое пятно с наибольшим диаметром db) .

Определяют амплитуду внутренней волны по формуле

> = -(dg-<м) 9 (1

4!

1 где dg,d — диаметры световых пятен, соответствующие положениям датчика (поплавка) на вершине и подошве волны соответственно, d - угол между образующей конуса светового потока и лентой, на.которую проецируется световой поток (фиг.11).

Определяют скорость VII вЕртиКальнога перемещения фиксированной точки на границе наибольшей плотности жидкости по формуле

V = „(dg — d+) tgI(„

2с где — время, эа которое перемещаетli, ся поплавок с подошвы волны на ее вершину.

Использование предлагаемого устройства позволяет осуществлять измерения параметров внутренних волн в, неоднородной жидкости, в том числе и в непрерывно стратифицированной по плотности дистанционным методом, используя поплавки нейтральной плавучести (как некоторый объем жидкости), которые отслеживают внутреннюю волну (перемещаются совместно с слоем жидкости, в которой они уравновешены), не искажая ее структуру в той степени, в которой искажает введенный в жидкость любой датчик другого типа, вследствие чего повышается точность измерений, определять не только длину й, фазовую скорость V< и период T волны, 102601 9 в ио и ее амплитуду и вертикальную скорость перемещения фиксированной точки на поверхности раздела жидкостей, испольэовать оптические преобраэователи для исследования внутренних волн (ранее они использовались эффективно только для исследования поверхностных волн) .

1026019

1026019

НалраВлеиие раслроетранения Велик

Физ. 8

ФФЗ. 7

Навра влвнвв расаростраиеисм еоеие . Физ.8

1026019

1026019

ВНИИПИ Заказ 4548/34 Тираж 873 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная,4