Акустический датчик скорости течения Советский патент 1993 года по МПК G01P5/00 

дит уменьшение возмущений потока, связанных с обтеканием стоек датчика.

При такой конструкции датчика обеспечивается равная чувствительность похаза- ний по осям ОХ и OY, являющихся соответственно нормальной и поперечной относительно осей прибора.

На фиг. 1 представлена конструкция датчика скорости; на фиг. 2 - взаимное расположение совмещенных под углом 120° пъезоакустических преобразователей.

Датчик скорости содержит три стойки 1-3, установленные на приборе4. На концах стоек установлены совмещенные под углом 120° пъезоакустические преобразователи. Оси стоек 1-3 наклонены относительно продольной оси OZ прибора 4, а их концы сходятся на этой оси. На противоположных концах стоек установлены совмещенные пъезоакустические преобразователи так, что на плоскости, где находятся указанные пъезоакустические преобразователи, они образуют равносторонний треугольник, как

это показано на фиг. 2. Каждая из сторон этого треугольника дл.йной L совпадает с трассой распространения гидроакустических сигналов. Одна из сторон или трасс

между концами стоек 1 и 3 коллинеарна продольной оси OZ прибора 4. Вторая сторона (трасса) между концами стоек 2 и 3 соответствует такому положению стоек 2 и 3, что ее проекция на нормальную плоскость

XOY образует с нормальной осью ОХ прибора 4 и с поперечной осью OY углы, равные 45°, как это показано на фиг. 1.

Координаты пъезоакустических преобразователей, установленных на концах стоек 1-3, равны в системе координат прибора OXY соответственно (XiYi), CteYa), (ХзУзО), причем Xi - Хз, YI Уз.

Таблица направляющих косинусов между трассами распространения гидроакустических сигналов 12, 23, 13 и осями прибора OX, OY и OZ после вычислений представляется следующим образом:

-1

Л

(Х2 - Xi) L 1 Vi2 + (Хз - Х2) V12+ (Y3-Y2) V12-Z2 -L 1 -V23 +

f1x

Составляющие вектора скорости течения в системе координат прибора Vx, Vy и Vz определяются по показаниям составляющих вектора скорости вдоль трасс 12, 23 и 13, равных соответственно Viz, Vaa и Via из соотношений

Vx

XV23,,

Vy - (Y2 - Yi) L 1

XV23,.

vz(z2-zi)i;1

+ Via. Проекции Xi - Хз, Yi Уз вследствие перпендикулярности оси 13 плоскости XOY; Хз Ys, Xz Y2 вследствие того, что проекция оси 23 на плоскость XOY составляет с осями ОХ и OY углы 45°, величина Zt - L Если обозначить расстояние Хз - Ха Ys - Y2 величиной d, то соотношения для составляющих вектора скорости Vx, Vy и Vz определяются следующим образом:

Vx - - d L1 Viz + d V23,

Vy - d L1 Vl2 + d L 1 V23, ,

Vz (& - L) L 1 Viz - Za Г1 V23.+Vi3 Из последнего соотношения следует, что показания по нормальной и продольной осям прибора при такой конструкции датчика симметричны относительна показаний датчика по двум из трех осей, образующих косоугольную систему координат.

25 Работа датчика осуществляется следующим образом.

В режиме позиционных измерений прибор 4 устанавливают в фиксированной точке (например, устанавливается на якорной ли30 нии автономной буйковой станции, на заданных отрезках троса с борта судна или с океанографической платформы). Горизонтальный поток обтекает датчик скорости, причем в заданные моменты времени про35 изводятся излучения и приемы гидроакустических сигналов вдоль трасс между вершинами стоек 1-3. Может быть использована одна из многих известных схем гидроакустических измерителей скорости. В

40 рабочем объеме датчика на пути горизонтального течения находятся три стойки 1-3, каждая из которых наклонена по отношению к горизонтальной оси течения.

Выполненный выше анализ показал, что

45 предложенная конструкция датчика обеспечивает симметричные соотношения горизонтальных составляющих скорости течения в системе координат прибора относительно показаний датчика вдоль двух

50 трасс акустических сигналов (между точками- 12 и 23, фиг. 1). Искажение потока за счет обтекания стоек является минимальным, так как число стоек минимально (три) и все они наклонены относительно горизонтального течения (если, например, наклон стоек к горизонтальной плоскости равен 45°, гидродинамическое сопротивление каждой из них составляет 35 % от сопротивления нормального обтекания цилиндрической стой- ки, которое используется в известных конструкциях). За счет этого обеспечивается повышение достоверности измерения составляющих горизонтального вектора скорости.

В режиме зондирования (вертикального или горизонтального) прибор движется в потоке со скоростью, направленной вдоль продольной оси 02, причем эта скорость обычно превышает естественную скорость течения, которая измеряется датчиком. Если результирующий вектор скорости (движения прибора и естественного течения) совпадает с приборной осью 02, объем датчика является открытым, а сопротивление торцевой части корпуса прибора 4 радикально уменьшается приданием ему гидродинамически обтекаемой формы. Стойки наклонены относительно вектора скорости, за счет чего их сопротивление относительно невелико, а их число в рабочем объеме минимально (три), что в 2,33 раза меньше, чем в прототипе.

При появлении нормальных по отношению к вектору скорости движения прибора 4 составляющих вектора скорости, вызванных естественным течением, результирующий вектор скорости может в общем случае произвольно ориентироваться относительно стоек. При этом возможна ситуация уве- личения угла между результирующим вектором скорости и одной из стоек и возрастание ее гидродинамического сопротивления, причем соответствующие углы относительно двух других стоек будут

уменьшаться и их сопротивление будет падать. За счет этого общий уровень возмущений потока в рабочем объеме датчика увеличиваться не будет при любом произвольном изменении угла между результирующим вектором скорости и продольной осью прибора 02. В режиме зондирования, как ив позиционном режиме, обеспечиваются минимальные возмущения потока в рабочем объеме датчика и за счёт этого повышается достоверность его показаний. Таким образом, конструкция акустического датчика скорости течения вносит минимальные возмущения в поле скорости в его рабочем объеме за счет минимального числа стоек с пъезоакустичеекими преобразователями и их наклонного расположения по отношению к вектору .скорости течения как в позиционном режиме использования датчика, так и в режиме зондирования. За счет этого обеспечивается повышение точности измерений скорости течения.

Формул а изобретени я Акустический датчик скорости течения, содержащий корпус, на нижнем торце которого установлено три наклонных стойки, на каждой из которых установлено по одному излучателю пъеэоакустических сигналов, три приемника акустических сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, наклонные стойки выполнены разной длины, излучатели и приемники акустических сигналов объединены в пары, при этом их излучающие и приемные поверхности совмещены в каждой паре под углом в 120°, причем пары излучатель-приемник расположены в плоскости, лежащей под углом в 45° по отношению к нормальной и поперечной осям корпуса прибора.