一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪的制作方法

本发明属于仪器设备领域，特别是涉及一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪。

背景技术：

波高是相邻波峰和波谷间的垂直距离，但在海洋环境下，由于波浪的破碎，大波陡波浪中间会夹杂大量的空气，导致传统基于电容测量波浪的方法无法准确捕捉空气部分，进而无法准确监测真实波浪液面高度。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明所解决的技术问题在于提供一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪，能够测量含有大量空气的波浪波高以及空气位置。

本发明所采用的技术方案如下：一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪，包括电容式测波探头，所述的电容式测波探头的正极为钽丝，负极为不锈钢杆，钽丝数量为多个，每个所述的钽丝的外层采用两种绝缘材料均匀交替包裹，设第一种绝缘材料的截断高度为hi，第二种绝缘材料的截断高度为gi，两种绝缘材料的厚度相同，介电常数不同，设第一种绝缘材料的介电常数为ε1，第二种绝缘材料的介电常数为ε2，并且每根钽丝上的两种材料截断高度hi和gi都不相同；水位淹没正极的高度变化就会导致探头的电容值的变化，测量出不同钽丝的电容值，利用电容值与水面高度变化的关系函数，进而计算出包含大量空气的波浪液面高度及波浪中空气位置，具体方法如下：

设钽丝i的电容测量值为ci，定义为：

式中α(z)含有空气的波浪中水的体积分数，当α(z)＝1为水，α(z)＝0为空气；

fi(z)是钽丝i在静止水面高度与测量值的关系函数，由静止水面标定得到，标定步骤为：在静止水槽内通过加水改变水面高度，同时测量出不同水面高度下钽丝i的电容测量值ci，利用连续变化的静止水面高度获得不同高度z处的fi(z)取值；

l是钽丝的长度；z是竖向坐标；n是钽丝个数；

进而

式中z1，z2，z3为z方向坐标，其中[0z1]是水，[z1z2]是空气，[z2，z3]是水，[z3，l]是空气，

通过如下公式(3)确定z1，z2，z3

最终得到波浪液面高度z3和波浪中的空气位置[z1z2]。

本发明的新型波高仪与现有技术相比，其显著优点是：克服了传统波高仪无法测量含大量空气的波浪液面高度，通过相同位置处的多个钽丝的测量结果，可以求出包含大量空气的波浪液面高度及空气位置；操作方便，成本低廉，测量精确度高，能够用于海上石油开采平台结构破碎波浪波高监测。

附图说明

图1为含大量空气的波浪液面高度测量示意图；

图2为新型波高仪测量流程图；

图3为钽丝外部绝缘层布置方式；

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：

实施例1

如图1所示，一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪，包括电容式测波探头，所述的电容式测波探头的正极为钽丝1，负极为不锈钢杆2，并且钽丝数量为多个，如图3所示，每个所述的钽丝的外层采用两种绝缘材料均匀交替包裹，设第一种绝缘材料3的截断高度为hi，第二种绝缘材料4的截断高度为gi，两种绝缘材料的厚度相同，介电常数不同，设第一种绝缘材料的介电常数为ε1，第二种绝缘材料的介电常数为ε2，并且每根钽丝上的两种材料截断高度hi和gi都不相同；水位淹没正极的高度变化就会导致探头的电容值的变化，测量出不同钽丝的电容值，利用电容值与水面高度变化的关系函数，进而计算出包含大量空气的波浪液面高度及波浪中空气位置，具体方法如下：

设钽丝i的电容测量值为ci，定义为：

式中α(z)含有空气的波浪中水的体积分数，α(z)＝1为水，α(z)＝0为空气；

fi(z)是钽丝i在静止水面高度与测量值的关系函数，由静止水面标定得到，标定步骤为：在静止水槽内通过加水改变水面高度，同时测量出不同水面高度下钽丝i的电容测量值ci，利用连续变化的静止水面高度获得不同高度z处的fi(z)取值；

l是钽丝的长度；z是竖向坐标；n是钽丝个数；

进而

式中z1，z2，z3为z方向坐标，其中[0z1]是水，[z1z2]是空气，[z2，z3]是水，[z3，l]是空气，

通过如下公式(3)确定z1，z2，z3

最终得到波浪液面高度z3和波浪中的空气位置[z1z2]。

技术特征：

1.一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪，包括电容式测波探头，其特征在于，所述的电容式测波探头的正极为钽丝，负极为不锈钢杆，并且钽丝数量为多个，每个所述的钽丝的外层采用两种绝缘材料均匀交替包裹，设第一种绝缘材料的截断高度为hi，第二种绝缘材料的截断高度为gi，两种绝缘材料的厚度相同，介电常数不同，设第一种绝缘材料的介电常数为ε1，第二种绝缘材料的介电常数为ε2，并且每根钽丝上的两种材料截断高度hi和gi都不相同；水位淹没正极的高度变化就会导致探头的电容值的变化，测量出不同钽丝的电容值，利用电容值与水面高度变化的关系函数，进而计算出包含大量空气的波浪液面高度及波浪中空气位置，具体方法如下：

设钽丝i的电容测量值为ci，定义为：

式中α(z)是含有空气的波浪中水的体积分数，当α(z)＝1为水，α(z)＝0为空气；

fi(z)是钽丝i在静止水面高度与测量值的关系函数，由静止水面标定得到，标定步骤为：在静止水槽内通过加水改变水面高度，同时测量出不同水面高度下钽丝i的电容测量值ci，利用连续变化的静止水面高度获得不同高度z处的fi(z)取值；

l是钽丝的长度；z是竖向坐标；n是钽丝个数；

进而

式中z1，z2，z3为z方向坐标，其中[0z1]是水，[z1z2]是空气，[z2，z3]是水，[z3，l]是空气，

通过如下公式(3)确定z1，z2，z3

最终得到波浪液面高度z3和波浪中的空气位置[z1z2]。

技术总结
本发明公开一种能够测量夹杂有空气的波浪液面高度的波高仪，能够测量含有大量空气的波浪波高以及空气位置。本发明包括电容式测波探头，其正极为钽丝，负极为不锈钢杆，每个钽丝的外层采用两种绝缘材料均匀交替包裹，并且每根钽丝上的两种材料截断高度hi和gi都不相同；水位淹没正极的高度变化就会导致探头的电容值的变化，测量出不同钽丝的电容值，利用电容值与水面高度变化的关系函数，进而计算出包含大量空气的波浪液面高度及波浪中空气位置。本发明操作方便，成本低廉，测量精确度高，能够用于海上石油开采平台结构破碎波浪波高监测。

技术研发人员：刘嘉斌;郭安薪
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2020.01.17
技术公布日：2020.05.22