RU2711585C1 - String wave finder with infrared recording of string length - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates to the field of hydrometry and relates to the method of determining the dependence of the height of the liquid surface and the slopes of waves on time. Method is implemented by measuring the string immersion height into the liquid. Strings are illuminated with an infrared source of light, and the height of immersion of each string into the liquid is recorded on the matrix of the infrared photodetector by the position of the interface on the strings.EFFECT: technical result is increase in the measurements accuracy.1 cl, 2 dwg

Description

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.The invention relates to the field of hydrometry and oceanography, methods for measuring the height of the interface between liquid and air, methods for measuring the slopes of the interface, for example, measuring the height of the waves, the wave spectrum, the slope spectrum.

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.A known method for determining the height of the air-liquid interface using a vertical rail with height labels immersed in the liquid [1]. However, this method has low accuracy, since it sums the height over the entire cross section of the rail, the interface for the transparent liquid is poorly distinguished, and this method does not register surface slopes. Another way is to measure the angular position of the glare of the sun reflected from the surface from the height of the aircraft [2]. But it is impossible to measure reflections from capillary or short gravitational waves. Measurements of slopes by reflected laser radiation are possible [3]. The disadvantage of this method is the departure of the glare from the aperture of the receiving system with even small slopes, which does not allow measuring slopes even with moderate excitement.

Наиболее близким аналогом является способ определения высоты границы раздела воздух-жидкость и уклонов поверхности с помощью струнного волнографа [4]. 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 и водорослей на струне и электроде, за счет флуктуаций сопротивления жидкости, из-за емкостных свойств электрической цепи [5].The closest analogue is a method for determining the height of the air-liquid interface and surface slopes using a string waveograph [4]. It measures the electrical resistance of vertically arranged strings partially immersed in a liquid. When the liquid level changes, the resistance of the immersed part of the string decreases, and the height of the interface is determined from the total resistance of each string. The disadvantage of this method is the low accuracy of measurements due to changes in the resistance of the string when it is wetted, due to the deposition of salts and algae on the string and electrode, due to fluctuations in the resistance of the liquid, due to the capacitive properties of the electric circuit [5].

Технический результат предложенного способа заключается в повышении точности измерений за счет исключения электрических измерений и оптической регистрации уровня жидкости на каждой струне с высокой точностью в инфракрасном диапазоне длин волн. Метод позволяет располагать струны на расстоянии менее 1 см, что недоступно при электрических измерениях.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of measurements by eliminating electrical measurements and optical registration of the liquid level on each string with high accuracy in the infrared wavelength range. The method allows you to position the strings at a distance of less than 1 cm, which is not available for electrical measurements.

Для достижения технического результата в предложенном способе струны, пересекающие границу раздела вода-воздух, освещают инфракрасным источником света, а высоту погружения каждой струны в жидкость регистрируют на матрице инфракрасного фотоприемника по положению границы раздела на струнах.To achieve a technical result in the proposed method, the strings crossing the water-air interface are illuminated with an infrared light source, and the immersion height of each string in the liquid is recorded on the infrared photodetector matrix according to the position of the interface on the strings.

На фиг. 1 показана схема оптических измерений уровня взволнованной поверхности жидкости 1. Набор инфракрасных светодиодов 2 освещает вертикально расположенные струны 3, которые светятся выше границы жидкость-воздух и являются темными ниже этой границы. Длины струн регистрируются на матрице фотоприемников с частотой работы видеокамеры 4.In FIG. 1 shows a diagram of optical measurements of the level of the excited surface of a liquid 1. A set of infrared LEDs 2 illuminates vertically arranged strings 3 that glow above the liquid-air boundary and are dark below this boundary. The lengths of the strings are recorded on the matrix of photodetectors with a frequency of 4 cameras.

На фиг. 2 представлен видеокадр, выполненный в инфракрасном режиме при освещении трех близко расположенных струн на длине волны 940 нм. Светлая часть струн находится в воздухе, а границы перемещаются вдоль струн совместно с уровнем жидкости.In FIG. 2 shows a video frame made in infrared mode when illuminating three closely spaced strings at a wavelength of 940 nm. The bright part of the strings is in the air, and the boundaries move along the strings together with the liquid level.

Если вертикально расположенную струну освещать инфракрасным светом и регистрировать ее изображение на видеокамеру, которая настроена на ту же длину волны, то надводная часть струны будет ярко освещена, в то время как подводная часть будет намного темнее фиг. 1. Это связано с поглощением инфракрасного излучения водой. На матрице фотоприемников отчетливо видна граница раздела воды и воздуха, которая может регистрироваться с точностью до разрешения матрицы, т.е. с точностью в 0,1 мм. При изменении уровня жидкости, например за счет волнения, граница перемещается вдоль струны вместе с уровнем жидкости. Регистрация положения границы раздела 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 и водорослей на струне и электроде и связанное с этим изменение электрических свойств, флуктуации сопротивления жидкости. При использовании интерференционного фильтра на видеокамере и освещения струн в полосе частот фильтра измерения можно проводить как в ночное, так и в дневное время.If a vertically arranged string is illuminated with infrared light and its image is recorded on a video camera that is tuned to the same wavelength, then the surface part of the string will be brightly illuminated, while the underwater part will be much darker than FIG. 1. This is due to the absorption of infrared radiation by water. The interface between water and air is clearly visible on the photodetector array, which can be recorded up to the resolution of the matrix, i.e. with an accuracy of 0.1 mm. When the liquid level changes, for example due to excitement, the boundary moves along the string along with the liquid level. Registering the position of the interface on a digital photodetector array in time allows you to measure the dependence of the height of the liquid level in time. The method is optical, therefore, it does not have the disadvantages of an electric string waveograph: a change in the resistance of a string when it is wetted, precipitation of salts and algae on a string and an electrode, and a related change in electrical properties, fluctuations in the resistance of a liquid. When using the interference filter on the camcorder and lighting the strings in the frequency band of the filter, measurements can be performed both at night and in the daytime.

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. Точность предложенного оптического способа измерения уровня жидкости имеет масштаб менее 1 миллиметра. 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.If several strings are placed nearby, then the level will be recorded at neighboring points, which will make it possible to register surface slopes at various spatial scales, FIG. 2. The proposed method does not use electrical signals, so several strings can be placed nearby that will not affect each other. To register the slopes of the liquid surface in the orthogonal directions of the string can be arranged in two perpendicular rows. The accuracy of the proposed optical method for measuring the liquid level has a scale of less than 1 millimeter. This allows you to place two or more strings close to each other and measure surface slopes at small scales, which is not available when using electric string waveographs.

Пример реализации способа заключается в освещении поверхности раздела (1) и вертикально расположенных струн (3), фиг. 1, матрицей инфракрасных светодиодов (2), излучающих на длине волны 940 нанометров, и регистрации изображения струн на видеокамеру (4), которая имеет инфракрасный фильтр. На фиг. 2 проведена видеокадр изображения струн, на которых четко регистрируется граница раздела вода-воздух. Регистрация высоты освещенной части струн во времени на цифровых изображениях видеокамеры позволила измерить зависимость высоты уровня жидкости в точках расположения струн во времени и, при известном расстоянии между струнами, позволила получить уклоны на различных пространственных масштабах и их изменение во времени.An example implementation of the method is to illuminate the interface (1) and vertically arranged strings (3), FIG. 1, a matrix of infrared LEDs (2) emitting at a wavelength of 940 nanometers, and recording the image of the strings on a video camera (4), which has an infrared filter. In FIG. Figure 2 shows a video frame of the image of strings on which the water-air interface is clearly recorded. Registration of the height of the illuminated part of the strings in time on digital images of the video camera made it possible to measure the dependence of the height of the liquid level at the points of the strings in time and, with a known distance between the strings, made it possible to obtain slopes at various spatial scales and their change in time.

Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.The inventive step of the invention is confirmed by the distinctive part of the claims.

ЛитератураLiterature

1. Коровин В.П., Чверткин Е.И. Морская гидрометрия. Л. Гидрометеоиздат, 1988.1. Korovin V.P., Chvertkin E.I. Marine hydrometry. L. Hydrometeoizdat, 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. 838-850.2. Cox C, 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.3. Zapevalov A.C. Statistical models of the sea surface in scattering problems of acoustic and electromagnetic radiation // Diss. ... doc. physical and mathematical sciences. Sevastopol: Marine Hydrophysical Institute of the NAS of Ukraine, 2008.290 s.

4. Авторское свидетельство СССР №513250, МКИ G01C 13/00. Волнограф, А.К. Куклин. - Заявлено 23.01.1975. Опубл. 18.05.1976.4. USSR copyright certificate No. 513250, MKI G01C 13/00. Waveograph, A.K. Kuklin. - Stated 01/23/1975. Publ. 05/18/1976.

5. 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.5. Antonov B.C., Sadovsky I.N. Measurement of sea surface roughness IVMP-1: device description and measurement data of the CAPMOS'05 full-scale experiment. - M. - 2007. - 38 p.

Claims (1)

Способ определения зависимости высоты жидкой поверхности или уклонов волн от времени путем измерения высоты погружения струн в жидкость, отличающийся тем, что струны освещают инфракрасным источником света, а высоту погружения каждой струны в жидкость регистрируют на матрице инфракрасного фотоприемника по положению границы раздела на струнах.A method for determining the dependence of the height of a liquid surface or wave slopes on time by measuring the immersion height of the strings in a liquid, characterized in that the strings are illuminated with an infrared light source, and the immersion height of each string in the liquid is recorded on the infrared photodetector matrix according to the position of the interface on the strings.

Images