Способ измерения параметров скорости течения и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для гидрофизических исследований.

В настоящее время широкое распространение получили автономные цифровые измерители течения, в которых скорость и направление потока жидкости определяются путем измерения числа оборотов и направления вращения гидрологического импеллера, помещенного в поток жидкости. Известен способ измерения параметров скорости течения путем измерения скорости вращения гидрологического импеллера, реализованный в автономном приборе для записи температуры и течений в океане, заключающийся в том, что излучают световой сигнал, направленный на вращающийся диск импеллера, принимают световой сигнал, отраженный от зеркальной поверхности, сформированный на одном участке диска, и судят о скорости вращения по количеству отраженных световых сигналов, принятых фотоприемником. Этот способ позволяет повысить чувствительность при измерении скорости за счет уменьшения массы импеллера и, соответственно, постоянной времени.

Однако получить при этом высокую точность измерения параметров скорости не удается, т.к. невозможно определить направление вращения импеллера. Устройст-, во, в котором реализован данный способ - автономный прибор для записи температуры и течений в океане, выполненный в виде цилиндра, внутри которого размещена компасная картушка, ртутный термометр, часовой механизм, электробатареи, осветительные лампы, фотоустройство, электромагнитная муфта сцепления,содержит фотоэлектрический преобразователь с зеркальцем, укрепленным на диске ротора и фотосопротивлением, установленный в корпусе прибора.

Это устройство обладает теми же недостатками, что и способ, реализованный в нем.

В качестве прототипа устройства для реализации способа выбрано устройство для автоматического измерения скорости и направления вращения, содержащее датчик числа оборотов и направления вращения, выполненный, в виде магнитного элемента, трех герконов, трех формирователей и узла индикации скорости и направления вращения, состоящего из схемы ИЛИ, схемы И, дополнительной схемы И, RS-трит- гера индикации направления, дополнительного RS-триггера, логической схемы однозначности и счетчика, причем выход первого формирователя соединен с первым

входом схемы ИЛИ и с R-входом дополнительного триггера, S-вход которого подключен к выходу второго формирователя и второму входу схемы ИЛИ, а выход - ко

второму входу дополнительной схемы И, первый вход которой соединен с третьим входом схемы ИЛИ и выходом третьего формирователя, а выход - с входом триггера индикации направления. R-вход которого

0 подключен к шине сброса, к второму входу схемы И, R-входам счетчика и выходу логической схемы однозначности, второй вход которой соединен с выходом триггера индикации направления, а первый вход подклю5 чен к выходу триггера младшего разряда счетчика, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, четвертый вход которой подключен к выходу схемы И, первый вход которой соединен с шиной считывания.

0 Это устройство, как и способ, реализованный в нем, имеет недостаточную чувствительность и точность измерений, особенно при малых скоростях измеряемых турбулизированных токов, близких к порогу

5 трогания импеллера.

Цель изобретения - снижение погрешности измерения в условиях знакопеременных скоростей, близких по величине к порогу трогания импеллера,

0 Поставленная цель достигается тем, что

в способе измерения параметров течения,

заключающемся в приеме сигналов от вра щающегося элемента, преобразовании их в

последовательность электрических импуль5 сов и регистрации их очередности, вращающийся элемент последовательно облучают как минимум тремя акустическими импульсами, принимает отраженные акустические сигналы, при этом направление течения оп0 ределяют путем сравнения длительности временных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, а скорость течения V определяется как:

N

5

V П Т.и

где N - количество импульсов за время tM; Ни - длительность цикла измерения; п - количество лопастей вращающегося элемента.

0 Поставленная цель о устройстве для реализации способа достигается тем, что в устройство, содержащее чувствительный элемент-импеллер, три формирователя, элемент И-НЕ, реверсивный счетчик, D-триг- 5 гер, выход которого соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, введены блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустического преобразователя, акустическая ось которого пзрпендикулярнэ плоскостям лопастей чувствительного элемента, приемопередзтчик, дин

первый и второй выходы которого сое- ныс пьезоакустическим

преобразователем, а вход - с выходом первого формирователя и управляющим входом второго формирователя, а третий выхсд- с информационным входом второго формирователя, задающий генератор, второй ч третий D-триггеры, дешифратор, три RS-тэиггера, второй элемент И-НЕ, при этом выход задающего генератора подключена входам первого и третьего формирователей и первому входу первого элемента И-Н Ј, второй вход которого соединен с вы- ходо и третьего формирователя, а прямой и йнвеэсный выходы - со счетными входами второго и третьего D-триггеров соответст- веннз, D-входы которых подключены к выходу второго формирователя, выходы второго и третьего D-триггеров соединены с первым и вторым входами дешифратора СООТЕ етственно, первый вход дешифратора подключен к R-входам первого, второго и треть его RS-триггеров, второй, третий и четвертый выходы - к S-входам первого, второго и третьего RS-триггеров, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго элемента И-Н :, выход которого подсоединен к счетному входу реверсивного счетчика, D-вход первого D-триггера соединен с выходом вторе го RS-триггера, а С-вход - с четвертым выходом дешифратора., . .

I- а фиг. 1 схематически изображено перемещение лопасти импеллера относитель- чки отсчета, в которой, расположен акустический преобразователь; на

но т

пьез

фиг.

ройс

сти

диаг|

прин,

изображена структурная схема уст- ва для измерения параметров скоро- ечения; на фиг. 3. - временная амма, иллюстрирующая установление длежности принятых эхо-сигналов к

ближней, средней и дальней зонам отражения; на фиг, 4 - временная диаграмма, ил- люстэирующая определение числа оборотов и направление вращения импеллера,

С юсоб реализуется следующим образом,

П эй вращении гидрологического импеллера к

аждая из его лопастей при перемещеения) пьезоакустического преобразо- (ПАП). Перемещение лопасти в этой

нии периодически попадает в зону действия (излуч вател

зоне схематично показано на фиг. 1. В результате такого перемещения изменяется расстояние от ПАП до плоскости лопасти, а следовательно, и изменяется время задержки принятого ПАП эхо-сигнала относительно возбуждающего импульса (фиг. 3), т.е. в зоне действия ПАП происходит модуляция: времени распространения акустического сигнала, излученного ПАП, отраженного ло- 5 пастью и принятого преобразователем, расстоянием между плоскостью лопасти и ПАП. При этом все возможные значения этого времени могут быть разделены на три группы: ближнего - Гб , среднего - гс и дальнего

0 - Гд, которые соответствуют положениям лопасти в ближней, средней и дальней зонах отражения, обозначенных на фиг. 1 индексами Б,С, Д. При вращении импеллера перемещение каждой лопасти в зоне дейст5 вия ПАП изменяет временную задержку эхо- сигналов либо от Гб до гд (фиг, 2а) при вращении импеллера в одним направлений, условно показанном на фиг. 1 стрелкой с индексом Л, либо от гд до Гб (фиг. 26) при

0 вращении в противоположном направлении (стрелка С с индексом П на фиг. 1).

Перемещение импульса, соответствующего принятому эхо-сигналу, при направлений вращения Л схематично показано на

5 фиг. За, а при направлении вращения П - на фиг. 36. Как следует из фиг. За и 36. принятые эхо-сигналы последовательно проходят три зоны. Для упрощения на фиг. 3 показано только по одному эхо-сигналу в каждой зо0 не. При направлении вращения Л чередование зон происходит в последовательности Б-С-Д, при направлении вращения П - в последовательности Б-С-Д. При этом количество таких чередований, зафиксирован5 ной за цикл измерения, будет соответствовать количеству пересечений зоны Действия ПАП, лопастями импеллера, и скорость вращения импеллера (об/с)опре- делится по формуле:

0 -

. . Л. Т.И .. о

где m - количество зафиксированных чередований; . : п - количество лопастей импеллера,1 ,

5 т.и длительность цикла измерений, с.

Направление перемещения лопасти, а следовательно, и направление вращения импеллера однозначно Определяется по тому, в какой последовательности средняя 300 на чередуется с какой-либо крайней. Из фиг. 3 следует, что при перемещении лопасти в направлении Л (фиг. За) средняя зона располагается после ближней и перед дальней, а при перемещении в направлении П (фиг.

5 36)- после дальней и перед ближней. Таким образом, чередование Б -С или С-Д однозначно свидетельствует о вращении импеллера в направлении Л, а чередование С-Б или Д-С - о вращении в направлении П.

В способе каждая единица информации о вращении импеллера сопровождается информацией о направлении перемещения лопасти в момент, непосредственно предшествовавший полученной единице информации. Таким образом, каждая единица информации, полученная предлагаемым способом, представляет собой единичный вектор: модуль вектора свидетельствует о пересечении лопастью импеллера точки отсчета (акустического луча ПАП), а направление вектора - о направлении, в котором перемещалась лопасть относительно этой точки. Результат суммирования векторов за время измерения содержит информацию о средних значениях скорости и направлении вращения импеллера..

При работе в условиях слабых знакопеременных потоков лопасть импеллера в течение цикла измерения может совершать колебания относительно точки отсчета. При этом возможны следующие случаи колебания импеллера:

1. Лопасти импеллера не пересекают акустического луча ПАП;

2. Лопасть импеллера пересекает акустический луч ПАП так, что отраженные эхо- сигналы принадлежат одной или двум зонам; . .......

3. Лопасть импеллера полностью пересекает акустический луч ПАП попеременно в противоположных направлениях.

В первом случае эхо-сигналы будут отсутствовать, и информация, полученная за время измерения, будет свидетельствовать об отсутствии вращения импеллера.

Во втором случае, поскольку нет чередований всех трех зон (Б-С-Д или Б-С-Б), модуль вектора скорости будет равен нулю, что; также свидетельствует об отсутствии вращения,.

.В третьем случае пересечением лопастью акустического луча будут соответствовать единичные векторы попеременно противоположных направлений, сумма которых за время измерения будет равна либо нулю (при четном количестве колебаний), либо +1 (при нечетном количестве колебаний лопасти).

Устройство для измерения скорости и направления вращения гидрологического импеллера, реализующее предлагаемый способ измерения, содержит (фиг. 2) датчик .скорости и направления вращения, состоящий из пьезоакустического преобразователя 2, акустическая ось которого перпендикулярна плоскости лопастей 3 импеллера 4, приемопередатчика 5, первого 6

И второго 7 формирователей и узел обработки сигналов 8, состоящий из задающего генератора 9, третьего формирователя 10, первого 11 и второго 12 элементов 1/1-НЕ,

первого 13, второго 14 и третьего 15 D-триггеров, дешифратора 16, первого 17, второго 18 и третьего 19 RS-триггеров и реверсивного счетчика 20.

Выход задающего генератора 9 подключен к входу первого формирователя 6, выход которого соединен с управляющим входом второго формирователя 7 и входом приемопередатчика 5, между первым и вторым выходамикоторого подключен

пьезоакустический преобразователь 2, акустически связанный с лопастями 3 импеллера 4, а третий выход приемопередатчика 5 подключен к информационному входу второго формирователя 7, выход которого соединен с D-входом второго 14 и третьего 15 D-триггеров, С-входы которых соединены с прямым и инверсным выходами первого элемента И-НЕ 11, соответственно, второй вход которого подключен к выходу третьего

формирователя 10, вход которого и первый вход первого элемента Й-НЕ 11 соединены с выходом задающего генератора 9. Выходы второго 13 и третьего 15 D-триггеров соединены соответственно с первым и вторым

входами дешифратора 16, первый выход которого соединен с R-входами первого 17, второго 18 и третьего 19 RS-триггеров, а второй, третий и четвертый выходы подключены соответственно к S-входам первого 17,

второго 18 и третьего 19 RS-триггеров. Первый, второй и третий входы второго 12 элемента И-НЕ соединены, соответственно, с выходами первого 17, второго 18 и третьего 19 RS-триггеров, а

выход второго 12 элемента И-НЕ подключен к счетному входу реверсивного счетчика 20, управляющий вход (вход управления направлением счета), которого соединен с выходом первого D-триггера 13, D-вход

которого подключен к выходу второго RS- триггера 18, С-вход - к четвертому выходу дешифратора 16, а входы установки нуля и тактовый реверсивного счетчика 20 подключены, соответственно, к шинам сброс и

считывание. Выходы реверсивного счет1 чика 20 являются выходами устройства.

Лопасти 3 импеллера 4 должны быть выполнены из материала, удовлетворяющего условиям:

рн См рв. Со,

где , рп - плотность материала лопастей 3 и воды соответственно;

См, Св - скорости звука в материале лопастей 3 и воде соответственно.

Устройство работает следующим обра- зфм.

Задающий генератор 9 формирует последовательность прямоугольных импульсов, п вступающих на вход первого формирова- толл 6. По переднему фронту импульса с выхода первого формирователя 6 в приемопередатчике 5 формируется импульс воз- б/жденияпьезоакустического п )еобразователя 2. Излученный преобразователем 2 акустический импульс распространяется в направлении импеллера 4. При пересечении одной из лопастей 3 вращающегося импеллера 4 акустической оси пре- о )разователя 2, акустический сигнал отражается от лопасти 3, принимается преобразователем 2 и преобразуется им в элек- т| ичёский сигнал, который усиливается усилителем 34 в приемопередатчике 5 и поступает на вход второго формирователя 7. При вращении импеллера 4 лопасть 3 перемещается в зоне действия преобразователя

2,

в результате чего (фиг. 1) расстояние от

нее до преобразователя 2 изменяется либо от б до , либо от до LG (в зависимости от направления вращения импеллера 4), а следовательно, изменяется и время задержки акустического эхо-сигнала от re до гд или от гд до те.

| Во втором формирователе 7 в момент прихода сигнала с вектора приемопередатчика 5, соответствующего принятому акустическому эхо-сигналу, формируется передний фронт импульса, длительность которого определяется вторым формирователем 7. Импульс с выхода этого формирователя поступает на Ь-входы второго 14 и третьего 15 D-триггеров. Последовательность импульсов с выхода задающего генератора 9 поступает также на второй вход первого элемента Й-НЕ 11 и на вход третьего формирователя 10, с выхода которого последовательность импульсов, задержанная и инвертированная относительно входного сигнала, поступает на первый вход пеЬвого элемента И-НЕ 11. На выходах этого элемента формируются две последовательности импульсов - прямая и инвертированная, которые поступают на С- входы второго 14 и третьего 15 6-триггеров соответственно.

Число оборотов импеллера 4 определяется по количеству импульсов на выходе второго элемента И-НЕ 12. Импульс на вы- хо/е элемента И-НЕ 12 формируется при на; ичии уровней лог.О на первом, втором и тэетьем его входах, т.е. на выходах, соответственно, первого 17, второго 18 и третьего 19 RS-триггеров. Согласно логике

работы RS-триггеров состоянию лог,0 на их входах должно предшествовать состояние лог.1 на S-входах этих триггеров. Согласно логике работы дешифратора 16 на 5 выходах RS-триггеров 17, 18, 19 уста на вл и-, вается состояние лог.О только при условии, что были приняты, сигналы, принадлежащие всем трём зонамотражё- ния, т.е. импульс на выходе второго;элемен0 та И-НЕ 12 формируется только при наличии чередования зон отражения Б-С-Д или Д-С-Б, что свидетельствует о пересечении лопастью 3 зоны действия преобразователя 2. Направление перемещения лопасти

5 3 определяет направление счёта счетчика 20 - сложение или вычитание. При перемещении лОпасти 3 в направлении Л (фиг. 1, фиг. За) сигналу, соответствующему средней зоне отражения, предшествует сигнал; CQOT0 ветствующий ближней зоне (фиг. 4а). При этом выход второго D-триггера 14 перейдет в состояние лог.1 раньше, чем. выход третьего D-триггера 1.5 и, следовательно, переднему фронту импульса на четвертом вы5 ходе -дешифратора 16 будет соответствовать состояние лог.1 на выходе второго RS-триггера 18. Такая последовательность сигналов приведет к формированию на выходе первого D-тригге0 ра 13 уровня лог.О, что обусловит запись в счетчик 20 единицы со знаком минус.

При перемещении лопасти 3 в направлении П (фиг. 1, фиг. 36) сигналу, соответствующему средней зоне отражения,

5 предшествует сигнал, соответствующий дальней зоне (фиг. 46) и фронту импульса на . счетном входе счетчика 20 будет соответствовать состояние лог.1 на входе управления направлением счёта ((а 20. что

0 обусловит запись в счетчике единицы со , знаком плюс.

Если перед началом цйкла измерения в счетчик 20 записывать начальный код, то к концу цикла измерений на его выходе будет

5 записан код МВых:

N8b,x No + N,....... (2) где N - алгебраическая сумма импульсов, поступающих на счетный вход счетчика 20 в течение цикла измерения.

0 Скорость вращения импеллере из (1) с учетом (2) при rri N будет равна:

V

NBbtx Nc n tH

где n - количество лопасте й импеллера; 1и - длительность цикла измерения. Модуль V равен средней скорости вращения импеллера, а знак V определяется направлением его вращения.

., При измерении с помощью импеллера 4 слабых знакопеременных потоков, а также в ряде других случаев (например, при вибрациях трузонесущего кабеля или троса, на котором укреплен измеритель) возможны колебания импеллера. Если колебания импеллера происходят так, что при этом диаграмма направленности преобразователя 2 не пересекается лопастями 3 импеллера 4, то отраженные от лопастей эхо-сигналы будут отсутствовать, и состояние реверсивного счетчика 20 не изменится, т.е. колебания не будут восприниматься как вращение. Более сложным являётся-случай, когда импеллер 4 колеблется так, что лопасть 3 находится в зоне действия преобразователя 2, и схема принимает и обрабатывает отра- , женные от лопасти 3 эхо-сигналы. При таких колебаниях импеллера 4, когда лопасть 3 полностью пересекает диаграмму направленности преобразователя 2 попеременно то в одном, то в другом направлениях, код на выходе счетчика 20 в конце цикла измерения либо не изменится, либо изменится

на +1, что интерпретируется либо как отсутствие вращения импеллера, либо как вращение его со скоростью V ±---, что

П Ти

соответствует действительной средней за цикл измерения скорости вращения импеллера 4. Кроме рассмотренных выше, возможны такие .колебания импеллера, при которых временная задержка эхо-сигналов

изменяется на величину меньшую (re - Гд), т.е. лопасть 3 не пересекает все три зоны. При этом выход второго D-триггера 14 либо третьего D-триггера 15 будет оставаться в состоянии лрг.О, и на счетном входе счетчика 20 импульс будет отсутствовать, т.е. код на выходе счетчика 20 не изменится и такие колебания импеллера 4также не будут восприниматься как вращение (V 0).

Таким образом, устройство позволяет

получать информацию 6 параметрах скорости течения при исследованиях слабых знакопеременных потоков и при эксплуатации

в условиях высокочастотных вибраций измерителя. .

: .

Использование: измерительная техника для гидрофизических исследований. Сущность изобретения: вращающийся элемент пос/ едовательно облучают как минимум трегч я акустическими импульсами, принимают отраженные акустические сигналы, при этом направление течения определяют путем сравнения длительности временных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, скорость течения опреN деляют как V где N - количество п tM импульсов за время tn, V - длительность цикла измерения; п - количество лопастей вращающегося элемента. Устройство содержит чувствительный элемент - импеллер 4, блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустического преобразователя 2, приемопередатчик 5, задающий генератор 9, три D-триггера (13-15). три RS-тригге- ра (17-19), два элемента И-НЕ (11, 12), дешифратор 16, три формирователя (6, 7, 10), реверсивный счетчик 20, 3-2-5-6-1011-15-16-19-12-20; 3-2-5-7-15-16-1812-20; 6-9-11-14; 5-7-14; 16-13-20: 16-17-12;18-13.А ил.

; : Ф о р .м у л а изобретения

направление течения определяют путем сравнения длительности временных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, а скорость течения V определяют как

X.V-V.V- . N

-.- - ...- n Ни где N - количество импульсов за время т.и;

tii- длительность цикла измерения;

n - количество лопастей вращающегося элемента.. . :

него введены блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустического преобразователя, акустическая ось которого перпендикулярна плоскостям лопастей чувствительного элемента, приемопередатчик, первый и второй выходы которого соединены с пьезоакустическим преобразователем, а вход - с выходом первого формирователя и управляющим входом второго формирователя, а третий выход -с информационным входом второго формирователя, задающий генератор, второй и третий D-триггеры, дешифратор, три RS-триггера, второй элемент И-НЕ, при этом выход задающего генератора подключен к входам первого и третьего формирователей и первому входу первого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего формирователя, а прямой и инверсный выходы - со счетными входами второго и третьего D-триггеров соответственно, D-входы которых подключены к выходу второго формирователя, выхода второго и третьего D-триггеров соединены с первым и вторым входами дешифратора соответственно, первый выход дешифратора подключен к R-входам первого, второго и. третьего RS-триггеров, второй, третий и четвёртый выходы - к S-входам первого, второго и третьего RS-триггеров, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам

втс рого элемента И-НЕ, выход которого подсоединен к счетному входу реверсивного счетчика, D-вход первого D-триггера соеНапро бдение бращения 1П

Фиг.

Фс/2.3

динен с выходом второго RS-триггера, а С-вход - с четвертым выходом дешифратора.

(иЭрОАогическии импеллер,

Фиг. 4