СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСРЕДНЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ КВАДРАТИЧНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ В МОРСКОЙ СРЕДЕ В УСЛОВИЯХ АДДИТИВНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ПОМЕХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК G01P5/08 

Изобретения относятся к области исследования гидрофизических полей и могут быть использованы при проведении экологических исследований, в океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентных пульсаций скорости в морской среде.

Для решения задачи определения статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости в морской среде необходимо иметь высокочувствительный преобразователь скорости в электрический сигнал. Одной из причин, препятствующих определению статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости в морской среде, является чувствительность преобразователя скорости к паразитным сигналам, возникающим в результате вибраций преобразователя, установленного на подвижном носителе, например на буксируемой линии, что не позволяет определять, в частности, усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости, которое является важнейшей энергетической характеристикой турбулентности.

В результате проведенных патентно-информационных исследований аналогов предлагаемого способа не обнаружено.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех [1], которое содержит идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, и вычислительный блок, а также последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и масштабный блок, при этом второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал на равных расстояниях от него, входы упомянутого вычислительного блока функции 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 масштабного 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 пульсаций скорости.

Задачей изобретений является обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех и уменьшенными линейными размерами устройства.

Сущность первого изобретения заключается в том, что в способе определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных в вершинах квадрата жестко связанных между собой идентичных первого, второго, третьего и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по формуле

где усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, (м/с)²;
U₁ и U₄ - напряжения на выходах соответственно первого и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в одной паре противоположных вершин упомянутого квадрата, В;
U₂ и U₃ - напряжения на выходах соответственно второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в другой паре противоположных вершин упомянутого квадрата, В;
усредненное значение сигнала (U₁-U₂-U₃+U₄)², В²;
K_ПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/(м/с);
λ₁ и λ₂ - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;
R - длина каждой стороны упомянутого квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал, м;
F(λ₁,λ₂,R) - коэффициент, зависящий от отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂.
Сущность второго изобретения заключается в том, что в устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех, содержащее идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, а также последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и масштабный блок, выход которого является выходом устройства, введены четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал, идентичный первому, второму и третьему преобразователям скорости в электрический сигнал, и блок вычисления функции
U=K•(U₁-U₂-U₃+U₄), (2)
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.

При этом все четыре упомянутых преобразователя скорости в электрический сигнал жестко связаны между собой и расположены в вершинах квадрата, в первой паре противоположных вершин которого расположены первый и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал, во второй паре противоположных вершин квадрата расположены второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, входы упомянутого блока вычисления функции с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по четвертый, соответственно его выход соединен со входом полосового фильтра.

Благодаря новому расположению преобразователей скорости в электрический сигнал и новому вычислительному блоку уменьшается максимальный линейный размер устройства.

Сущность изобретений поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства,
на фиг. 2 - схема, поясняющая взаимное расположение преобразователей скорости в электрический сигнал,
на фиг. 3 - схема, поясняющая взаимное расположение первого и второго преобразователей скорости в электрический сигнал,
на фиг. 4 - значения F(λ₁,λ₂,R) для различных отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂ для турбулентных пульсаций скорости в направлении движения преобразователей,
на фиг. 5 - значения F(λ₁,λ₂,R) для различных отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂ для турбулентных пульсаций скорости в направлениях, перпендикулярных направлению движения преобразователей (вертикальном и горизонтальном).

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 (2);
6 - полосовой фильтр;
7 - квадратор;
8 - блок усреднения;
9 - масштабный блок;
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;
R - длина каждой стороны квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал.

На фиг. 3 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
10 - чувствительные элементы преобразователей 1, 2;
11 - дифференциальные усилители;
R - длина стороны квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал.

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

К выходу блока 5 вычисления функции (2) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 6, квадратор 7, блок 8 усреднения и масштабный блок 9.

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

В каждом преобразователе 1-4, например, электромагнитного типа, наряду с чувствительным элементом 10 имеется, как правило, подключенный к чувствительному элементу 11 усилитель, в частности дифференциальный усилитель (ДУ) 11 (фиг. 3).

Блок 5 вычисления функции (2) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции суммирования и вычитания, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель функции (2).

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 от λ₂= 0,01 м до λ₁= 1,0 м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот Δf = f_min÷f_max. В частности, для λ₂= 0,01 м, λ₁= 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/λ₂ и f_min= V_min/λ₁. Haпример, диапазону рабочих скоростей носителя V= (2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону от λ₂= 0,01 м до λ₁= 1,0 м соответствует полоса рабочих частот фильтра 6 Δf = (25-1000) 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.

Масштабный блок 9 предназначен для масштабирования значения сигнала, полученного на выходе блока 8 усреднения. Его значение выбирают, как правило, равным 1/[K²•F(λ₁,λ₂,R)], где значения F(λ₁,λ₂,R) определяют на основании обработки экспериментальных данных. В частности, значения F(λ₁,λ₂,R) для различных отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂ в случае, когда преобразователи расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения преобразователей 1-4 (фиг. 2), приведены на фиг. 4, 5.

Блоки 6-9 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на сущность изобретения. Схемы построения блоков 6-9 хорошо известны.

Преобразователи 1-4 скорости в электрический сигнал расположены в вершинах квадрата со стороной R (фиг. 2). При этом 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.

Одним из оптимальных вариантов расположения преобразователей 1-4 по отношению к направлению потока является вариант, при котором преобразователи 1-4 расположены в плоскости, перпендикулярной направлению набегающего потока (фиг. 2).

Минимальную длину R выбирают из условия отсутствия влияния преобразователей 1-4 друг на друга и превышения минимального масштаба измеряемых турбулентных пульсаций скорости. Максимальная длина R ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-4. Обычно расстояния R составляют (0,1-1,0) м.

Расположение преобразователей 1-4 в одной плоскости, расстояния и углы между преобразователями 1-4 определяются по нахождению центров чувствительных зон. Обычно это ось симметрии чувствительного элемента 10 (см., например, фиг. 3). Поскольку геометрические размеры чувствительного элемента 10 каждого из преобразователей 1-4 во много раз меньше расстояния между ними, необходимые геометрические соотношения легко определяются.

Определение усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех предлагаемым способом производят следующим образом.

Идентичные преобразователи 1, 2, 3, 4, конструктивно жестко связанные между собой, перемещают прямолинейно равномерно в исследуемой морской среде (см. фиг. 2). Осуществляют одновременно преобразование скорости в электрический сигнал с помощью первого, второго, третьего и четвертого преобразователей 1, 2, 3 и 4 скорости в электрический сигнал. После обработки поступающих от преобразователей 1, 2, 3 и 4 сигналов определяют усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде по формуле (1). Благодаря вычитанию и суммированию сигналов преобразователей 1, 2, 3, 4 осуществляется компенсация аддитивных вибрационных помех. При этом определение истинного усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде обеспечивается учетом корреляционных связей сигналов с выходов преобразователей 1-4. Учет этих связей достигается применением коэффициента F(λ₁,λ₂,R), значения которого приведены на графиках (фиг. 4, 5).

При необходимости усредненные значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде могут определяться непрерывно в течение заданного периода времени при исследовании заданной акватории. В этом случае полученные значения регистрируются известными средствами, например самописцем и т.п.

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. Выходные сигналы преобразователей 1, 2, 3, 4 обрабатываются в блоке 5 по формуле (2). После обработки в блоке 5 сигнал, свободный от вибрационных помех, фильтруется, возводится в квадрат и усредняется блоками 6, 7, 8. Сигнал, пропорциональный усредненному значению квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, поступает на вход масштабного блока 9. В блоке 9 значение выходного сигнала корректируется с учетом значений коэффициентов передачи блоков 6, 7, 8 и коэффициента F(λ₁,λ₂,R).
Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют определять усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех при существенном уменьшении линейных размеров устройства, реализующего предлагаемый способ. Расчеты показывают что линейные размеры устройства можно уменьшить в 1,2-1,4 раза, что имеет большое значение при установке устройства на носителях с ограниченными размерами. Кроме этого, предлагаемые изобретения позволяют существенно расширить рабочий диапазон пространственных масштабов измеряемых турбулентных пульсаций скорости при сохранении максимального размера устройства, а также повысить чувствительность устройства. Расчеты показывают что чувствительность устройства можно увеличить до 1,3 раза.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить предлагаемое устройство в производстве и использовать его и предлагаемый способ 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 информаци
1. Свид. на ПМ РФ 16033, МПК G 01 Р 5/00, 2000 г. (прототип).

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в океанологии и других областях техники. Технический результат - обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех и уменьшенными линейными размерами устройства. Одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных в вершинах квадрата жестко связанных между собой идентичных четырех преобразователей, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по расчетной формуле. Устройство содержит идентичные четыре преобразователя, а также последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения, масштабный блок и блок вычисления функции. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех, характеризующийся тем, что одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных в вершинах квадрата жестко связанных между собой идентичных первого, второго, третьего и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по формуле

где усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, м/с²;
U₁ и U₄ - напряжения на выходах соответственно первого и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в одной паре противоположных вершин упомянутого квадрата, В;
U₂ и U₃ - напряжения на выходах соответственно второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в другой паре противоположных вершин упомянутого квадрата, В;
усредненное значение сигнала (U₁-U₂-U₃+U₄)², В²;
К_ПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/(м/с);
λ₁ и λ₂ - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;
R - длина каждой стороны упомянутого квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал, м;
F(λ₁,λ₂,R) - коэффициент, зависящий от отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂.
2. Устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех, содержащее идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, а также последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и масштабный блок, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал, идентичный первому, второму и третьему преобразователям скорости в электрический сигнал, и блок вычисления функции
U= K•(U₁-U₂-U₃+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;
при этом все четыре упомянутых преобразователя скорости в электрический сигнал жестко связаны между собой и расположены в вершинах квадрата, в первой паре противоположных вершин которого расположены первый и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал, во второй паре противоположных вершин квадрата расположены второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, входы упомянутого блока вычисления функции с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по четвертый соответственно, его выход соединен с входом полосового фильтра.