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

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано 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.

Задачей изобретения является обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех.

Сущность 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 на одной прямой линии 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, U₂, U₃ и U₄ - напряжения на выходах соответственно первого, второго, третьего и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, В;
усредненное значение сигнала (U₁-U₂-U₃+U₄)², В²;
К_ПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/м/с;
F(λ₁,λ₂,R) - коэффициент, зависящий от отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂;
λ₁ и λ₂ - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;
R=R₁₂=R₂₃=R₃₄;
R₁₂, R₂₃ и R₃₄ - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал соответственно, м.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;
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 направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-4 и перпендикулярном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-4;
на фиг. 6 - значения F(λ₁,λ₂,R) для различных отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂ для турбулентных пульсаций скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-4 и параллельном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-4.

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;
R₁₂, R₂₃ и R₃₄ - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал, соответственно.

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;
R₁₂ - расстояние между первым и вторым преобразователями 1 и 2 скорости в электрический сигнал.

В соответствии с фиг. 1 устройство, реализующее предлагаемый способ, 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 10 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=l,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. Например, 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=(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.

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 на прямой, перпендикулярной направлению движения преобразователей 1-4 (фиг. 2), приведены на фиг. 4-6.

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 на одной прямой на расстояниях R=R₁₂=R₂₃=R₃₄ (фиг. 2). Прямая, на 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 прямая, на которой они расположены, перпендикулярна направлению движения.

Расположение преобразователей 1-4 на одной прямой, расстояния между преобразователями 1-4 определяются по нахождению центров чувствительных зон. Обычно это ось симметрии чувствительного элемента 6 (см., например, фиг. 3). Поскольку геометрические размеры чувствительного элемента 6 каждого из преобразователей 1-4 во много раз меньше расстояния между ними, необходимые геометрические соотношения легко определяются.

Минимальные расстояния между преобразователями 1-4 выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга. Максимальные расстояния ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-4. Обычно расстояния R=R₁₂=R₂₃= R₃₄=(0,1÷1,0) м.

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). Обычно прямую, на которой расположены преобразователи 1-4, ориентируют вертикально или горизонтально перпендикулярно направлению движению носителя. 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. 4-6).

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 изобретение может быть использовано как для измерения однокомпонентных пульсаций скорости, так и для многокомпонентных. В последнем случае выходные сигналы по каждому каналу обрабатываются с помощью блоков вычисления функции (1), количество которых соответствует количеству измеряемых компонент скорости.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определять усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить в производстве устройство, реализующее предлагаемый способ, и использовать 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.

Способ предназначен для использования 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. Одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных на одной прямой линии и 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. 6 ил.

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 на одной прямой линии и жестко связанных между собой идентичных первого-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 расчетной формуле

где усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, м/с²;
U₁, U₂, U₃ и U₄ - напряжения на выходах соответственно первого-четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, В;
усредненное значение сигнала (U₁-U₂-U₃+U₄)², В²;
К_ПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/(м/с);
F(λ₁,λ₂,R) - коэффициент, зависящий от отношений λ₁/λ₂ и R/λ₂;
λ₁ и λ₂ - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;
R = R₁₂ = R₂₃ = R₃₄;
R₁₂, R₂₃ и R₃₄ - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал соответственно, м.