Измеритель флуктуаций скорости течения Советский патент 1986 года по МПК G01P3/80 

Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть применено в зондирующих, буйковых и буксируемых комплексах, используемых при проведении гидрофизических исследований, для получения данных о структуре поля скорости в океане.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала.

На показан измеритель флуктуации скорости течения; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие работу анализатора, и вид частотной характеристики Кф перестраиваемого низкочастотного фильтра.

Измеритель содержит датчик 1 флуктуации скорости, например акустического, электромагнитного или термоэлектрического типов, установленный в корпусе 2, внутри которого на жесткой раме 3 смонтированы измерители углов крена 4, дифферента 5, например маятникового или феррозон- дового типов, и азимута 6, например компас или курсовой гидроскоп. Выход датчика 1 скорости соединен с входом измерительного преобразователя 7 скорости. В составе измерителя входят также три однотипных блока 8,- 8g вычисления взаимных сттистических характеристик, каждый и которых имеет по два входа, к кото- рьи подключены источники анализируемых сигналов по одному выходу, сумматор 9 с тремя входами и одним выходом, анализатор 10 с одним входом и одним выходом, а также перестраиваемый низкочастотный фильтр 1 с. двумя входами и одним выходом, К первому входу перестраиваемого фильра 1 подключается измеренный сигнал, к второму входу - сигнал, управляющий интервалом осреднения. Выход перестраиваемого фильтра 11 является выходом измерителя. Первые входы блоков 8, - 8д вьгчисленк1я взаимных статистических характеристик соединены между собой с выходом измерительного преобразователя 7 скорости и с входом перестраиваемого низкочастотного фильтра 11. Второй (управляющий) вход этого фильтра содинен с выходом анализатора 10, вхо которого подключен к выходу сумма- Ггора 9, к трем входам которого под

342

ключены соотвв ственно нычоды блоков 8,- 8 :j вычисления взаимных статистических характеристик, с вторыми входами которых соединены соответственно выходы измерителей углов азимута 6. ди(|хрерента 5 и крена 4.

Блок вычисления B3at biHHx статистических характеристик представляет собой вычислительное устройство, на

входы которого подаются сиг налы пульсаций скорости течения У()И одного из измеряемых углов, например азимута ,. В вычислителе производится расчеты спектров указанных величин,

т.е.

т

I)( гUDs27 гde;

т

M(i: jv( b|5,(j;

о

(i)

1),(с1соз27КсЗь;

о

т

M(ib jtc()

соответствующих амплитудных вых функций

ФазоA(f) D(f)rMj(f);

A/.f)

4

D(f)+Mi(f);

Fv(f)arctg -M./f)D-,,(f) F,,, arctgL-M,()D(f)l ,

35

оценок квадратурного вчанмного спектра

45

50

55

) Miijkm.

40

(K

).

автоспектра флуктуапий

n / с ч 064 t )

.

H отношения

. r f ) - - j

(5) (6)

;n(f)Q;,,(f) S(f) . (7) Технически блок вычисления вза- HMHbix статистических характеристик может быть выполнен, напри -1ер, на основе микропроцессорного комплекта К 580, запрограммированное} в соответствии с приведенными выше соотношениями .

Сумматор 9 представляет собой цифровое или аналоговое арифметическое устройство, на входы которого подаются коды или сиг налы, пропорциональные вьгчисленныг-1 для каждой анализируемой частоты яиаче иям

Sn(f) S,p (f)- ). Fla выходе блока суммирования формируется код или сигнал, пропорциональный сумме указанных величин. Техническая реализация блока суммирования возможна, например, при помощи операционного усилителя при аналоговой форм обработки или, например, при помощи цифровых сумматоров,

В анализаторе 10 определяется частота f , соответствующая максимальному значению суммарной спектральной характеристики S(f) Sn(f)+Sn(f) -(-Sny(f). Для этого на вход анализатора последовательно подаются величины 5.(), S (f) .,.Sg(f), которые сравниваются между собой и меньщие значения отбрсываются. Таким образом, определяется наибольшая величина ) во всем диапазоне анализируемых частот и соответствующая ей частота f

На выходе анализатор а формируется сигнал, пропорциональный частоте f. Техническая реализация анализатора 10 возможна при помощи микропроцессора при цифровой структуре либо при помощи операционного усилителя, на вход которого подается сигнал развертки S(f) для всего диапазона анализируемых частот. Этот сигнал сравнивается с фиксированными уровнями, величина которых после каждой развертки уменьшается. При достижении верхним уровнем максимума на выходе операционного усилителя срабатывает нуль-орган, а интервал времени между началом развертки и срабатьюанием нуль-органа пропорционален частоте f, , которая соответствует максимальному значению спектральной характеристики S(f).

Измеритель работает следующим образом.

Из-за отсутствия жесткого основания и большого числа различных возмущений, например качка судна, вибрация грузонесущего кабеля и крутильные колебания, которые в нем возникают под действием меняющегося натяжения, корпус измерителя совершает сложные движения, скорость которых v геометрически вычитается из измеряемой скорости течения. Вследствие этого результируюпщй сигнал измерителя, равный

0 Т - V ;

(8)

содержит шумовую состав;:яющую и искажается. Р аходящпеся в корпусе измерителя и устанавленные на общем основании с датчиком скорости из- 5 мерителя крена, дифферента и азимута прибора реагируют на колебания корпуса прибора и, следовательно, сигналы которые формируется на их выходах взаимосвязаны со скоростью У,,

О Составляющие флуктуации переносной скорости v относительно продольной и двух взаимно перпендикулярных поперечных осей связаны с сигналами измерителей крена ос , диф 5 ферента и азимута J следующими соотношениями

; г, (5) где R . - эквивалентные радиусы

траекторий колебаний. 20 Фурье-преобразования этих соотношений 1-1меют следующий вид

. n y oi A; )R,,-B; v i) a)Ry . Г .(10)

Спектры указанных составляющих 5 определяются путем умножения соотношений (Ю) на комплексно-сопряженные величины и последующе о статистического осреднения

0 (Ja))(7wRocfr),V„v(ycoRp.8). xi-ycoR,,8n,Yn- ()(-ywRyr); (u)

2.2 2

nn об - .АА J nn () (12

.%n w Rjarr

5 Для определения радиусов « рассмотрим произведения Фурье-преобразования уравнения (8) на величи- . ну А .

v, (13) 0 Произведение определяет взаимный спектр колебаний угла об и скорости течения v.,, вызванный гидродинамическим в взаимодействием колебаний скорости течения с корпусом 5 измерителя. Амплитуда колебаний угла ai равна

d h G v f (14) где V, v - средняя скорость тече. ния и амплитуда пульса- 0Ций;

- плотность воды; с - коэффициент сопротивления;

d - диаметр; h - высота;

G - вес корпуса.

Для реальных условий ,5 м/с, ,05 м/с, р 1000 кг/м с

,2 м, Н,

1,2, амплитуда колебаний угла составляет О , 1 граДэ что ниже уровня чувствительности рабочих средств измерения угловых величин « ,, и и Поэтому величина v Л

ui-v I

(и по аналогии V В и v Г близка к нулю и может не учитываться.

Соотношение (13J преобразуется к виду

-РОД 6JRuiGAft ,(15

где 0.. - квадратурный спектр флуктуации измерений скорости и угла 6i .

С учетом (12 и (15) находим, что спектр скорости колебаний корпуса измерителя относительно соответству ющей оси равен

С,„„., о1/С4л.(16)

ПП«. -Joft ftfi .

Суммарный спектр возмущений равен

G

G,

+ О,

+ :G,

(17) 8 вы

пп ппй пп.ч пп, На первые входы блоков 8 числения подается сигнал с измерителя 7 скорости, содержащий как полезный сигнал, так и шунов- то составляющую, вызванную колебаниями корпуса измерителя. В блоках 82вычис- ления производится вычисления спектров шумовых составляющих G „ . (f) по приведенному вьше соотношению (1) с использованием сигналов соответствующих угловых колебаний и , |,5 которые подаются на вторые входы указанных блоков. При этом, если датчик 1 скорости течения компонентный то взаимная обработка его сигнала и флуктуации углов в трех плоскостях позволяет учесть влияние поперечных относительно оси датчика колебаний корпуса на заог/мливание полезного сигнала: если измеряется модуль скорости течения - в блоках 8,- Вд расчитывается суммарный эффект

В сумматоре 9 производится сложение спектров шума G

nn(t, р, у

соответствующих колебаниям корпуса измерителя в трех плоскостях, в результате чего на его выходе формируется сигнал, пропорциональный суммарному спектру шума Sj.(f) .

Этот сигнал подается на вход анализатора 10, в котором для диапазона анализируемых частот спектра определяется его наибольшее значе ние и соответствующая ему частота

45 щенность измерителя, соответствующая в каждом конкретном случае условиям проведения измерения и спектральным характеристикам колебаний измерителя ,

50

Sg(f)5S

п

Эта частота отвечает периоду Т

Фор1мула изобретения

Измеритель флуктуации скорости течения, содержащий датчик скорости течения, установленный на корпусе и соединенный с измерительным преобразователем, а также измерители уг - , PJ лов азимута, крена и дифферента.

216734 6

наиб олее знерго( одержащ 1х состаяля- рогаих шума, присутствующего в полеч- I1OM сигнале при конкрет} ых условиях измерения. С выхода анализатора 10 5 снимается сигнал, пропорциональный -)той граничной частоте f , который поступает на управляющий вход перестраиваемого фУ1льтра 1 1 , полоса проз- раь;ности которого ограничивается sO этой частотой. При этом полоса прозрачности перестраиваемого фильтра

1 I в случае соответствует частоте, на которой спектр шумов имеет максимальную величину и, следова- 15 тельно, щумовые составляющие измеренного с;игнала эффективно отфильтровываются.

При этом, если измерения флуктуаций скорости течения производятся в штилевых условиях, например, вычисленный в блоках 8 - 8 и сумматоре 9 спектр шумов S(.(f) обусловлен коротконериодными (короткими

ветровыми волнами или вибрацией троса. Этот спектр имеет максимумы в области относительно высоких частот. Поэтому выделенная аналиэатсфом 10 частота f имеет соответстзенно большое значение и полоса прозрачности перестраиваемого фи.тътра 1 I максимальна . При изменении условий измерения , например при появлении значительных ветровых волн или вибраНИИ,имеющих более низкие частоты, величина f на выходе анализатора 10 пропорционально уменьшается. При этом полоса прозрачности перестраиваемого фильтра 11 уменьшается так

что колебания с частотой f отфильт- ровьшаются и, следовательно, наиболее энергосодержащие составляющие шумов подавляются. Благодаря этому обеспечивается высокая помехозащищенность измерителя, соответствующая в каждом конкретном случае условиям проведения измерения и спектральным характеристикам колебаний измерителя ,

7

отличающийся тем, что, с (елью повышения помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала, в него дополнительно введены три вычислителя отношения квадрата квадратурного спектра скорости и угла к автоспектру угла, сумматор, анализатор экстремума спектра и перестраиваемый фильтр нижних частот, причем первые входы вычислителей отношений соединены между собой и

121673Д. 8

подключены к выходу измерительного преобразователя скорости и входу перестраиваемого фильтра нижних частот, управляющий вход кото- 5 рого соединен с выходом анализатора экстремума спектра, вход которого подключен к выходу сумматора, входы которого соединены с -выходами вычислителей отношений, вторые входы 10 которых подключены к выходам измерителей углов азимута, крена и дифферента.

. Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть применено в зондирующих, буйковых и буксируемых комплексах, используемых при проведении гидрофизических исследований, для получения данных о структуре поля скорости в океане. Цель изобретения - повышение помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала. Дпя этого устройство содержит датчик 1 флуктуации скорости, корпус 2, измеритель 4 углов крена, рану 3, дифферент 5, азимут 6, три однотипных блока вычисления взаимных статтескнк характеристик, каждый из которых имеет по два входа, к которым подключены источники анализируемых сигналов, сумматор 9, анализатор 10, перестраиваемый низкочастотный фильтр 1. Перечисленные элементы соединены между собой определенным образом, что позволяет достичь цель изобретения. 2 ил. Q (5 (О С t