УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПЯТЕН В МОРСКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2001 года по МПК G01P5/08 

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды.

Для решения задачи обнаружения турбулентных пятен в морской среде необходимо иметь высокочувствительный преобразователь скорости в электрический сигнал. Одной из причин, препятствующих созданию устройств для обнаружения турбулентных пятен в морской среде, является чувствительность преобразователя скорости к паразитным сигналам, возникающим в результате вибраций и неравномерного движения преобразователя, установленного на подвижном носителе, например на буксируемой линии.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде [1], которое содержит первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, идентичные первому преобразователю скорости в электрический сигнал, расположенные на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а также вычислительный блок. При этом входы упомянутого вычислительного блока с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, его выход соединен со входом полосового фильтра, а выход порогового блока является выходом устройства.

Недостатком устройства [1] является большой линейный размер устройства. Недостаток обусловлен тем, что для обеспечения компенсации вибрационных помех второй и третий преобразователи пульсаций скорости находятся на одной прямой линии по разные стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал на расстоянии, исключающем пространственную фильтрацию турбулентных пульсации скорости.

Задачей изобретения является создание устройства для обнаружения в морской среде турбулентных пятен с низким уровнем энергии турбулентности и уменьшенными линейными размерами устройства.

Для решения поставленной задачи устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде содержит идентичные первый, второй, третий и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а выход является выходом устройства, а также блок вычисления функции
U = K•(U₁+β₂•U₂+β₃•U₃+β₄•U₄),
где
U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции, В;
K - масштабный коэффициент;
U₁, U₂, U₃ и U₄ - напряжения на первом, втором, третьем и четвертом входах упомянутого блока вычисления функции соответственно, В;
β₂,β₃и β₄- весовые коэффициенты;



R₁₃ - расстояние между первым и третьим преобразователями скорости в электрический сигнал;
R₁₄ - расстояние между первым и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал;
R₁₂ - расстояние между первым и вторым преобразователями скорости в электрический сигнал;
α₂₄- угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал;
α₂₃- - угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и третий преобразователи скорости в электрический сигнал;

при этом все четыре упомянутых преобразователя скорости в электрический сигнал расположены в одной плоскости, любые три преобразователя скорости в электрический сигнал из упомянутых четырех преобразователей скорости в электрический сигнал не лежат на одной прямой линии, входы упомянутого блока вычисления функции с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по четвертый соответственно, а выход упомянутого блока вычисления функции соединен со входом полосового фильтра.

В предлагаемом устройстве первый, второй, третий и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал могут быть расположены в вершинах квадрата.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства,
на фиг. 2 - схема, поясняющая взаимное расположение преобразователей скорости в электрический сигнал в пространстве;
на фиг. 3 - схема, поясняющая геометрические соотношения в плоскости расположения преобразователей скорости в электрический сигнал;
на фиг. 4 - схема, поясняющая взаимное расположение первого и второго преобразователей скорости в электрический сигнал.

На фиг. 1 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал;
4 - четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал;
5 - блок вычисления функции (1);
6 - полосовой фильтр;
7 - квадратор;
8 - блок усреднения;
9 - пороговый блок;
10 - источник порогового сигнала.

На фиг. 2 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал;
4 - четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал;
На фиг. 3 обозначены;
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал;
4 - четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал;
R₁₂ - расстояние между первым и вторым преобразователями 1 и 2 скорости в электрический сигнал;
R₁₃ - расстояние между первым и третьим преобразователями 1 и 3 скорости в электрический сигнал;
R₁₄ - расстояние между первым и четвертым преобразователями 1 и 4 скорости в электрический сигнал;
α₂₄- угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи 1 и 2 скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и четвертый преобразователи 1 и 4 скорости в электрический сигнал;
α₂₃- угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи 1 и 2 скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и третий преобразователи 1 и 3 скорости в электрический сигнал;
На фиг. 4 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
11 - чувствительные элементы преобразователей 1, 2;
12 - дифференциальные усилители;
R₁₂ - расстояние между первым и вторым преобразователями 1 и 2 скорости в электрический сигнал.

В соответствии с фиг. 1 устройство содержит идентичные первый, второй, третий и четвертый преобразователи 1, 2, 3 и 4 скорости в электрический сигнал, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 5 вычисления функции (1).

К выходу блока 5 вычисления функции (1) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 6, квадратор 7, блок 8 усреднения и пороговый блок 9, второй вход которого соединен с источником 10 порогового сигнала, а выход является выходом устройства.

Преобразователи 1-4 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.

Блок 5 вычисления функции (1) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции весового суммирования, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель.

Полосу пропускания полосового фильтра 6 выбирают в зависимости от пространственного масштаба анализируемых турбулентных неоднородностей и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей λ = (0,01-1,0) м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот Δf = f_min - f_max. В частности, для λ = (0,01-1,0) м и V=5 м/с Δf = (5-500) Гц. Если скорость подвижного носителя может изменяться, то верхнюю и нижнюю частоты диапазона рабочих частот выбирают соответственно из условий f_max= V_max/λ_min и f_min= V_min/λ_max. Например, диапазону рабочих скоростей носителя V = (2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону λ = (0,01-1,0) м соответствует полоса рабочих частот фильтра 6 Δf = (2,5-1000) Гц.

Наилучшим вариантом выполнения фильтра 6 является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.

Время усреднения блока 8 выбирают по меньшей мере в 5-10 раз большим минимального периода колебаний на выходе полосового фильтра 6. Если полосовой фильтр 6 выполнен с перестройкой диапазона рабочих частот, то и блок 8 усреднения целесообразно выполнить с переменным временем усреднения, изменяющимся обратно пропорционально скорости движения подвижного носителя.

Источник 10 может иметь фиксированное значение порогового сигнала или переменное значение, которое может изменяться вручную или автоматически в зависимости от фоновых значений турбулентности или характера решаемых задач.

Блоки 6-10 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на сущность изобретения.

Схемы построения блоков 6-10 хорошо известны.

Первый, второй, третий и четвертый преобразователи 1, 2, 3 и 4 скорости в электрический сигнал расположены в одной плоскости (фиг. 2). Любые три преобразователя скорости в электрический сигнал из упомянутых четырех преобразователей скорости в электрический сигнал не лежат на одной прямой линии, то есть расположены в вершинах четырехугольника. Этот четырехугольник может иметь форму трапеции, параллелограмма, ромба или иную форму. Наилучшим вариантом является расположение преобразователей 1-4 в вершинах квадрата.

Плоскость, в которой расположены преобразователи 1-4, может иметь в пространстве любое положение при условии сохранения работоспособности преобразователей 1-4. В частности, преобразователи 1-4 должны быть правильно ориентированы по отношению к направлению набегающего потока и не должны "затенять" друг друга. Наилучшим вариантом является такая ориентация преобразователей 1-4, при котором плоскость, в которой они расположены, перпендикулярна направлению набегающего потока (фиг. 2).

Расположение преобразователей 1-4 в одной плоскости, расстояния и углы между преобразователей 1-4 определяются по нахождению центров чувствительных зон. Обычно это ось симметрии чувствительного элемента 11 (см., например, фиг. 4). Поскольку геометрические размеры чувствительного элемента 11 каждого из преобразователей 1-4 во много раз меньше расстояния между ними, необходимые геометрические соотношения легко определяются.

Минимальные расстояния R₁₂, R₁₃ и К₁₄ выбирают из условия отсутствия влияния преобразователей 1-4 друг на друга. Максимальные расстояния R₁₂, R₁₃ и R₁₄ ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-4. Обычно расстояния R₁₂, R₁₃ и R₁₄ составляют 0,1-1,0 м.

В каждом преобразователе 1-4, например, электромагнитного типа наряду с чувствительным элементом 11 имеется, как правило, подключенный к чувствительному элементу 11 усилитель, в частности дифференциальный усилитель (ДУ) 12.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Носитель, например буксируемая линия корабля экологического мониторинга, осуществляет перемещение в исследуемой среде жестко связанных преобразователей 1-4 скорости в электрический сигнал. Выходной сигнал преобразователя 1 обрабатывается в блоке 5 совместно с сигналами преобразователей 2-4 по формуле (1). После обработки в блоке 5 сигнал, свободный от вибрационных помех, фильтруется, возводится в квадрат и усредняется блоками 6, 7, 8. Сигнал, пропорциональный энергии турбулентных пульсаций, поступает на первый вход порогового блока 9. Если энергия турбулентных пульсаций превышает заданный уровень, на выходе порогового блока 9 появляется сигнал, который свидетельствует о наличии турбулентного пятна в исследуемой морской среде.

Использование предлагаемого изобретения благодаря новому расположению преобразователей 1-4 скорости в электрический сигнал и новому блоку 5 вычисления функции (1) позволяет уменьшить максимальный линейный размер устройства. Расчеты показывают что максимальный линейный размер устройства можно уменьшить в 1,2-1,4 раза, что имеет большое значение при установке устройства на носителях с ограниченными размерами. Кроме этого, предлагаемое изобретение позволяет существенно расширить рабочий диапазон пространственных масштабов анализируемых турбулентных пульсаций скорости при сохранении максимального размера устройства.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить предлагаемое устройство в производстве и использовать его в тех областях техники, где требуется определять параметры турбулентности, в том числе вести контроль состояния морской среды с подвижного носителя, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

Источники информации
1. Свид. на ПМ РФ N 15137, МПК G 01 P 5/00, 2000 г. (прототип).

Устройство предназначено для использования в области исследования гидрофизических полей при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды. Технический результат - создание устройства с низким уровнем энергии турбулентности и уменьшенными линейными размерами. Устройство содержит четыре идентичных преобразователя скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные вычислительный блок, входы которого с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал, полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а выход является выходом устройства. Все четыре преобразователя скорости расположены в одной плоскости. Любые три преобразователя скорости из упомянутых четырех не лежат на одной прямой линии. Преобразователи скорости в электрический сигнал могут быть расположены в вершинах квадрата. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде, содержащее идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал, идентичный первому, второму и третьему преобразователям скорости в электрический сигнал, а также блок вычисления функции
U = K•(U₁+β₂•U₂+β₃•U₃+β₄•U₄),
где U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции, В;
К - масштабный коэффициент;
U₁, U₂, U₃ и U₄ - напряжения на первом, втором, третьем и четвертом входах упомянутого блока вычисления функции, соответственно, В;
β₂, β₃ и β₄- весовые коэффициенты;



R₁₃ - расстояние между первым и третьим преобразователями скорости в электрический сигнал;
R₁₄ - расстояние между первым и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал;
R₁₂ - расстояние между первым и вторым преобразователями скорости в электрический сигнал;
α₂₄ - угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал;
α₂₃ - угол между прямой, проходящей через первый и второй преобразователи скорости в электрический сигнал, и прямой, проходящей через первый и третий преобразователи скорости в электрический сигнал;

при этом все четыре упомянутых преобразователя скорости в электрический сигнал расположены в одной плоскости, любые три преобразователя скорости в электрический сигнал из упомянутых четырех преобразователей скорости в электрический сигнал не лежат на одной прямой линии, входы упомянутого блока вычисления функции с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по четвертый соответственно, а выход упомянутого блока вычисления функции соединен со входом полосового фильтра. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй, третий и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал расположены в вершинах квадрата.