Устройство для определения параметров внутренних волн в жидкости

(46) 30,06,83. Бюл. 9 24 (72) А.Е.Букатов, А.Н.Парамо А.Ф.Петрухнов и Л,В.Черкесов (71) Морской гидрофизический тут АН Украинской ССР (53) 534.14(088,8)(54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕчНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННИХ ВОЛН ВЖИДКОСТИ, содержащее лоток, заполняемый жидкостями различной плотности,размещенные в нем на противоположных стенках волнопродуктор и гаситель волн, датчики колебаний, раз 1 мещенные 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 них 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.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью упро- . щения Устройства, блок измерения вы- Е полнея в виде лентопротяжного механизма со светочувствительной бумагой.Изобретение относится к средствам исследования внутренних волн влабораторных условиях и может бытьиспользовано при проведении экспериментального определения параметров внутренних волн в жидкости. 5Известно устройство для лабораторных исследований параметроввнут-ренних волн на свдбодной поверхностижидкости, содержащее лоток, изготовленный из органического стекла, 10волнопродуктов, имеющий форму клинаи связанный механически с валом мотора с регулируемой скоростью вращения, датчики для измерения перемещения свободной поверхности жидкости, На боковую стенку лотка нанесена масштабная сетка. Лоток заполнен жидкостями, имеющими различную плотность, Верхний слой жидкости окрашен, что позволяет осущест влять визуализацию внутренних волнтолько на границе раздела слоев: жидкости 1.Недостатки этого устройства заключаются В тОм чтО ОнО пОЭВОляет 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 сразличной плотностью (на глубине максимального градиента), при проведенииэксперимента необходимо присутствие . Зэкспериментатора отсутствует автоматизация процесса измеренияпараметров внутренних волн,Наиболее близким по своей сущности к изобретению является устройст-. 40во для определения параметров внутренних воли В жидкости, содержащеелоток, заполняемый жидкостями различной плотности, размещенные в немна противоположных стенкам волно с;продуктор и гаситель волн, датчикиколебаний, размещенные в жидкости,и блок измерения 21 .Недостатками известного устройства являются ограниченность измерительных возможностей при измерениипараметров внутренних волн., поскольку измеряется только волновое дав.-ление внутренней волны, устройствоимеет узкое назначение (только дляисследования взаимодействия внутрен. них волн со свободной поверхностьюжидкости), волновое давление внутренней волны определяется контактным методом посредством введения датчика в жидкости, что искажает исследуемую 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 противоположныхстенках волнопродукт и гаситель волн,датчики колебаний, размещенные вжидкости, и блок измерения, датчикиколебания виполнены в виде поплав-.ков нейтральной плавучести с размещенными на них источниками сЪета илинзами, обращенными ко дну,лотка,а в последнем выполнены прозранныеокна, через которые датчики взаимодействуют с блоком измерения.Кроме того, блок измереиия выполнен в виде лентопротижного механизма со светочувствительной бумагой.На Фиг.1 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 источника света соответственно; на. Фиг.5предельные положения поплавка на внутренней волне; на фиг. 6 и 7 - моментыраспространения первой и последующих воли соответственно; на фиг.8возможное расположение поплавков,.вид сверху; на фиг 9 - вариант устройства с блоком измерения в видеюмнтопротяжного механизма; на фиг.10 то же, вид А; на фиг.11 - крайниеположения поплавков и соответствующие им изображения на светочувствительной бумаге; на Фиг.12 - вид.снятой инФормации.Устройство для определения параметров внутренних волн в жидкостисодержит лоток 1, заполняемый жидкостями разной плотности, напримеркеросином 2 плотностьюи чистойводой 3 плотностью О ср ). Наодной стенке лотка 1 размещен волнопррдукт 4, на противоположной егостенке - гаситель 5 волн,На границе раздела А, поверхностинебольшого градиента плотности жидкости, расположены два датчика колебаний, выполненные в виде поплавковб:и 7 нейтральной плавучести, установленных иа расстоянии 8 один от другого. В дне лотка 1 выполнены про-зрачные окна 8, напримериз стекла,под которыми расположен блок измерения, состоящий из светоделительныхпластин 9 и 10, датчиков 11 и 12 освещенности, позиционно-чувствительныхдатчиков 13 и 4 смещения, аналогоцифровых преобразователей 15-18,соединенного с ними блока 19 управления,преобразователя 20 параллельного кода в последовательный и регистратора 21, Датчик 11 Имеет приемную плас102609 на поверхности пластины,диффундируютв радиальном электрическом поле, которое периодически изменяет законих распределения.Если. иэображение находится в цент 5 ре пластины 23, потенциалы противоположных омических контактов 24, 27и 26, 25 равны,и снимаемая разностьпотенциалов райна нулю. При смещенииизображения относительно центра оми 10 ческие контакты 24-27 (фиг,2) оказываются в 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 1114 принимают световой поток от каждого поплавка, преобразуют в электрический сигнал, измеряют блоком измерения. и выводят на регистратор 21,который может быть цифропечатающимустройством, магнитньм накопителеми т.п.Устройство позволяет фиксировать25 время с от момента совершения пер/вого полного колебания поплавка бдо момента снятия показаний и измерять число вертикальных колебаний п 1поплавка, Фиксировать время В отЗ 0 момента совершения первого полногоколебания второго поплавка 7 до момента снятия показаний и измерятьза этот интервал времени число еговертикальных колебаний п . Одновре 35 меццо измеряют смещение в горизонтальной плоскости поплавков б и 7 относительно датчиков 13 и .14 и поэтим смещениям определяют (Фиг.8):проекцию Ь расстояния 3 между по 40 плавками б и 7 на направление распространения волн/и =8 6 16где 6, С - смещение поплавков относительно своего ис 45 ходного положения;.Я ".проекция расстояния меж-.ду поддавками на направление распространенияволны при исходном иэ 50 вестиом положении поплав-.ков.Используя измеренные данные, определяют параметры внутренних волн,длину В волны по Формуле55 1,Аи(пфаэовую скорость Ч, внутренней волныпо Формуле 60 п - пП ф 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 б и 7 состоят из герметичного корпуса 31, з котором рас.положен, 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 (непоказан ).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 41Устройство работает следующим образом.С помощью волнопродуктора 4 генерируют плоскую внутреннюю волну в области поверхности А . Профиль волны распространяется от волнопродуктора до первого поплавка б нейтральной плавучести, (Фиг.1), который иа" чивает колебаться, а через некоторое время начинает колебаться поплавок 7 (Фиг.7), Так как поплавки б 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 11 и 12, Так как,имеются светоделительные пластины,9 и 10, то вторая часть светового потока принимается датчиками 3 и 14 смещения. Световой поток в 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 пласти-. ны 23 можно считать, что электричес кое поле имеет только составляющую, направленную параллельно поверхности пластины. В этом случае неравновесные носители, созданные световым пятном Ь 1 й период Т внутренней волны по формулегде п 1 - число полных колебаний пЕрвого поплавка за время" = э-"и - число полных колебаний втойрого поплавка за время5момент времени достиженияпервого от начала колебаниягребня первым от волнопродуктора поплавком;1 - момент времени достижения 10первого от начала колебаний гребня вторым поплавком;1 - момент времени снятия показаний. 15Количество колебаний п 1 и п оп"ределяют по показаниям освещенности, которая в зависимости от положения поплавка имеет различные значения. При верхнем положении поплавков имеет место освещенность Е;,при самом нижнем - освещенность Е,плоскости, относительно которой перемещаются поплавки,Следовательно, устройство позволяет получить величины (в цифрах),соответствующие Е,п и Едд,и, следовательно, можно сказать, сколькосделали колебаний поплавки б и 7.При выполнении блока измерения ввиде лентопротяжного механизма уст 30ройство работает следующим образом.Включают одновременно волнопродуктор 4 для генерации внутреннейволны и электродвигатель 40, происходит перематывание, например светочувствительной бумаги 41. Световой поток (Фиг.9 и 11), идущий отисточника 34 света, пройдя черезлинзу 35, проецируется на светочувствительную бумагу 41. 40Под действием внутренней волныначинает колебаться первый попла-.,вок б,вследствие чего уменьшаетсяили увеличивается диаметр светово-.го пятна, которое . отпечатываетсяна светочувствительной бумаге 41как 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 временидостижения первого от начала колебаний гребня волны первым поплавком б .и момент временидостижения первого от начала колебаний гребня волны вторым поплавком 7,По световым пятнам, Фиксируюрим колебания поплавков, обусловленные внутренними волнами, определяютчисло п 1 полных колебаний первого ичисло и 1 колебаний второго поплав ков.от .моментов времени 11 исоответственно до момента времени Сэ снятия показаний (11111) .,Зная расстояние 8 (фиг,12) между лентами светочувствительной бумаги и расстояния 1 и 8 ( 81,1=д/2+Ь где Й - диаметр пятна; Ь,2 - расстояние от световых полос до внут. - ренних краев первой и второй бумажных лент (до светового пятна), определяют длину проекции Б расстояния между точечными источниками света первого и второго поплавков на направление распространения волн (Фиг.12), длину 8 , Фаэовую скорость Ч 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 Йм), и диаметр светового /пятна йа бумаге, соответствующий положению поплавка на вершине волны (световое пятно с наибольшим диаметром йВ) .Определяют амплитуду внутренней волны по формулеА = ( 1 С 1 м)9 ф14где Й,й - диаметры световых пятен,соответствующие положениям датчика (поплавка)на вершине и подошве волны соответственно,с( - угол между образующейконуса светового потокаи лентой, накоторуюпроецируется световойпоток (фиг.11).Определяют скорость ЧЗ веРтикального перемещения Фиксированной точкина границе наибольшей плотности жидкости по формулеЧ - л (С 1 щ) 9.фф18 22где- время, эа которое перемещаетАся поплавок с подошвы волнына ее вершину,Использование предлагаемого устройства позволяет осуществлять измерения параметров внутренних волн в,неоднородной жидкости, в том числеи в непрерывно стратифицированной поплотности дистанционным методом,используя поплавки нейтральной плавучести (как некоторый объем жидкости), которые отслеживают внутреннюю волну (перемещаются совместно с слоем жидкости, в которойони уравновешены), не искажая ееструктуру в той степени, в которойискажает введенный в жидкость любойдатчик другого типа, вследствие чего повышается точность измерений,определять не только длину й, Фазовую скорость Ч и период Т волны,ио и ее амплитуду и вертикальную скорость перемещения фиксированной точки на поверхности раздела жидкостей,испольэовать оптические преобраэователи для исследования внутренних волн(ранее они использовались эффективнотолько для исследования поверхностных волн).1026019Налраблвиие раслроетранениЯ Велик 7Налра 1 люнив расаросераиеиия еаюе Фий. 8