Устройство для измерения вихревого компонента скорости потока Советский патент 1982 года по МПК G01P5/24 

I

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вихревого компонента скорости потока.

Известно устройство для измерения вихревбго компонента скорости потока жидкости, содержащее систему тел, обтекаемых потоком, выполненную в виде пар одинаково. ориентированных тел, связанных с осью, проходящей через центр пары, и узел измерения. силового воздействия, выполненный в виде измерителя вращающегося момента 11 . .

Известно устройство, которое содержит импульсный генератор, каждый из двух выходов которого через усилитель мощности и коммутатор подключен к одному из двух акустических преобразователей, расположенных в одной вершине многоугольника, в остальных вершинах которого расположены отражатели, выход каждого акустического преобразователя через коммутатор и последовательно соединенные приемный усилитель и амплитудный детектор подключен к одному из двух нормализаторов уровня, выход второго нормализатора уровня соединен с входом блока задержки, блок управления , подключенный к входу импульсного генератора и к управляющим входам коммутатора, нуль-орган, первый и второй триггеры, одновибратор,первый и второй ключи.

Выходной сигнал описывается выражением

„У (Г-ГД

О)

rOtr

где rotf, V - среднее значение вихревого компонента скорости потока;

С - скорость звука в жидкости;

S - площадь многоугольного контура; т - временной сдвиг между двумя принятыми сигна лами; время задержки между принятыми сигналами. В известном устройстве принято, что скорость звука является постоян ной , что на практике не всегда выполняется 2 . Устройство обладает недостаточно точностью вследствие влияния на результат измерения скорости звука, которая для воды может изменяться в пределах (1 400-1600 м/с).. Цель изобретения - повышение точ ности измерения вихревого компонента скорости потока за счет учета влияния скорости звука на результат измерения. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения вихревого компонента скорости потока введены вычитающее устройство, третий триггер, источник опорного напряжения, первый, второй, третий и четвертый интеграторы, блок задания начальных условий, схема сравнения и временной демодулятор, причем выходы первого нормализатора уровня и блока задержки соединены с входами вычитающего устройства, выход которого через нуль-орган подключен к точке соединения нулевого входа первого триггера, управляющего входа второго ключа и единичных входов второго и третьего триггеров, выход блока управления соединен с единичным входом первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам первого ключа и бло ка задания начальных условий, первый выход источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый интегратор, первый ключ,второй и третий интеграторы соединен с первым входом схеМы сравнения,второй вход которой подключен к выходу четвертого интегратора, а выход к нулевому входу третьего триггера, вы ход которого соединен с входом временного демодулятора, второй выход источника опорного напряжения через блок задания начальных условий подключен к управляющему входу четвертого интегратора, другой вход : оторо го через второй ключ соединен с выхо дом вычитающего устройства, а нулепой выход первого триггера подключен к управляющему входу первого интегратора к входу одновибратора и к нулевому входу второго триггера, при этом выходы одновибратора и второго триггера соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего интеграторов. Наряду с измерением разности времени прохождения акустическими сигналами заданного контура дополнительно измеряется время Т прохождения акустического сигнала по периметру L многоугольника, зависящее от ско- . рости звука в жидкости (так как С L/T), и осуществляется функциональное преобразование в соответствии с выражением rotf, V 7п где j2 величина, пропорциональная среднему значению вихревого компонента скорости потока с учетом скорости звука в жидкости. На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 временные диаграммы работы устройства . Устройство содержит отражатели 1, образующие верщины многоугольника, акустические преобразователи 2 и 3, размещенные в одной из вершин многоугольника, блок Ц управления, коммутатор 5, приемные усилители. 6 и 7, усилители 8 и 9 мощности, амплитудные детекторы 10 и П, импульсный генератор 12, первый 13 и второй k нормализаторы уровня, блок 15. задержки, вычитающее устройство 16, нуль-орган 17, первый триггер 18, источник 19 опорного напряжения, первый интегратор 20, первый ключ 21, одновибратор 22, второй интегратор 23, второй триггер 2k, третий интегратор 25, схему 26 сравнения, четвертый интегратор 27, блок 28 задания начальных условий, третий триггер 29, второй ключ 30 и временной демодулятор 31 . Устройство работает следующим образом. . В исходном состоянии коммутатор 5 разомкнут, триггеры 18 и 29 находятся В нулевом состоянии, триггер - в. единичном, ключи 21 и 30 разомкнуты. 5 6 момент времени t, по команде блока 4 управления (фиг.2 ) запускается импульсный генератор 12 (фиг.26), замыкаются каналы коммутатора 5, связанные с блоками 8 и 9, а триггер 18 устанавливается в единичное состояние (фиг.2и). Импульс заданной длительности и частоты, сформированный генератором 12, после усиления по мощности при помощи усилителей 8 и 9 чер.ез коммутатор 5 подается на акустические .преобразователи 2 и 3, расположенны в одной вершине многоугольника. Преобразователи 2 и 3 излучают два акустических импульса, которые, отражаясь от блоков 1, проходят по периметру многоугольника. В момент времени ti интегратор 27 переводится в режим задания начальных условий, которые устанавливаются при помощи блока 28 (фиг.2а) а триггер 2 перебрасывается в нуле вое состояние (фиг.2ft), благодаря чему в интеграторе 25 задаются нуле вые начальные условия интегрировани (фиг.2с). Интеграторы 20 и 23 переводятся в режим интегрирования (фиг.2 к,л). Управление интегратором 23 производится одновибратором 22 (фиг.2/), который запускается сигн лом с выхода триггера 18 в момент времени t,. Выходной сигнал триггер 18, кроме того, в момент времениtj замыкает ключ 21, подавая на вход интегратора 23 выходное напряжение с интегратора 20. Выходное напряжение интегратора 23 начинает измепо зако няться ну текущее напр жение на вхо де интеграто ра 20; опорный уровень источни ка 19, подаваемый на вход интегра тора ; постоянная времени инте ратора 20; постоянная времени инте ратора 238В момент времени t. (t, +1) акустические сигналы, прошедшие заданный контур, поступают на блоки 2 и 3 и через коммутатор 5 проходят на приемные усилители 6 и 7 (после окончания импульса излучения блок Ц управления размыкает каналы коммутатора 5, связанные с блоками 8 и 9. и замыкает каналы, связанные с блоками 6 и 7) . В дальнейшем каждый из сигналор, следующих по одному из двух каналов, подвергается амплитудному детектированию при помощи блоков 10 и 11 и нормализации по уровню с помощью блоков 13 и 1 (выходные сигналы блоков 13 и 1 показаны графически на фмг. 2б,в). В результате текущее значение выходного напряжения вычитающего устройства 16 равно (фиг.2е) bB4(t) ,(t) - U2(t-Tj), К- где К - коэффициент передачи вычитающего устройства 16; Ui(t) - выходной сигнал нормализатора 13 (фиг .26); Uj (t- 7j) - выходной сигнал нормализатора Tt,сдвинутый по времени на отрезок Tj при помощи блока 15 за держки (фиг Л 5). Эпюра выходного напряжения нульоргана 17 показана на фиг.2ж:. Выходной сигнал нуль-органа 17 переводит передним фронтом триггер 18 в нулевое состояние, в результате ключ 21 размыкается, интегратор 23 переводится в режим памяти (фиг. 2 .л). В соответствии с формулой (3) в момент времени tj выходное напряжение интегратора 23 равно UH,(t) Uon де т В момент времени tj, кроме того, роизводится замыкание ключа 30 выодным сигналом нуль-органа 17,блаодаря чему на вход интегратора 7 подается выходное напряжение вычитающего устройства 16.

В момент времени tj ключ 30 размыкается, а интегратор 27 переходит в режим памяти (ф1,23), причём на его выходе поддерживается напряжение, равное H,(t,) - / UBy(t)dt -и ину. ( 2 где UH - напряжение начальных усло вий интегратора 27, устанавливаемых на отрезке времени (tj-t,) при помощ блока 28, причем и„. К коэффициент передачи блока 28; опорное напряжение блока 19. Практически форма выходных сигна лов нормализаторов 13 и 14 уровня может быть сделана весьма близкой к трапециидальной (фиг.2 ,2), в результате на выходе вычитающего устройства 16 импульс также имеет трапецийдальную форму. Учитывая вышесказанное, после подстановки выра жения (4) в равенство (6) получаем Uu,(t,) - Uo + и где UQ - уровень ограничения нормализаторов 13 и 14. В момент времени ta триггеры 24 и 29 переводятся задним фронтйм выходного импульса нуль-органа 1/ в единичное состояние (фиг.2н,р). В результате интегратор 25, управляемый триггером 24, переводится р режим интегрирования (фиг.2с), приче на его выходе образуется напряжение текущее значение которого изменяется по закону

Uu rt) .(t-t5) .

(9)

н

Схема 26 сравнения производит компарирование текущего напряжения (8) с постоянным уровнем на выходе интегратора ,27, описываемым выражением (6). В момент времени t указанные напряжения становятся равными. Из выражения Uu3 (t4) UuxCt)

нетрудно получить, что при этом отрезок времени () равен

-HaClil-r

(1.0)

t,

Uu, (t,)

г

ТИ( iH2 tH} Up

вых дм

. Тич Uon

(13)

К

J2

где

Ги,1и2 ИзЧоАи4ио11

Таким образом, выходное напряжение временного демодулятора 31 проПодставив соотношения (5) и (8) в выражение (Ю), получим ,,-:Tn..a.i.Lv,..u«yi Триггер 29, переведенный в единичное состояние в момент времени t возвращается в нулевое состояние положительным импульсом схемы 2б сравнения в момент времени tj). Таким образом, на единичном выходе триггера 29 образуются широтно модулированные импульсы длительностью (t4-ti), описываемой равенством (11). В момент С5 окончания импульса одновибратора 22 устройство приходит в исходное состояние. В дальнейшем описанный процесс измерения периодически повторяется. На выходе демодулятора 31 формируется постоянное напряжение, пропорциональное длительности выходных импульсов триггера 29 вых Кдм (), где Кдм - коэффициент преобразования 3 демодулятора. Подставив выражение (11) в соотношение (12), нетрудно убедиться, что при выполнении условия - aU° выходное напряжение предлагаемого устройства равно

порционально среднему значению вихревого компонента скорости потока

KL j

(14)

rotf, v. 2S Т2

Положительный эффект устройства заключается в повышении точности из мерения за счет измерения времени Т прохождения акустического сигнала по периметру контура L, которое прО порционально скорости звука в водной среде.

Формула изобретения

Устройство для измерения вихрев го компонента скорости потока, содержащее импульсный генератор, каждый из двух выходов которого через усилитель мощности и коммутатор подключен к одному из двух акустических преобразователей, расположенных в одной вершине многоугольника, в остальных вершинах которого расположены отражатели, выход каждого акустического преобразователя через коммутатор и последовательно соединенные приемный усилитель и амплитудный детектор подключен к одному из двух нормализаторов уровня, выход второго нормализатора уровня соединен с входом блока задержки, блок управления, подключенный к входу импульсного генератора и к управляющим входам коммутатора, нуль-орган, первый и второй триггеры, одновибратор,первый и второй ключи, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены вычитающее устройство, третий триггер, источник опорного напряжения, первый, второй, третий и четвертый интеграторы,блок задания начальных условий, схема

2457810

сравнения и временной демодулятор, причем выходы первого нормализатора уровня и блока задержки соединены с входами вычитающего устройства, выход которого через нульорган подключен к точке соединения нулевого входа первого триггера , управляющего входа второго ключа и единичных входов второго и

10 третьего триггеров, -выход блока управления соединен с единичным входом первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам первого ключа и

15 блока задания начальных условий, первый выход источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый интегратор, первый ключ, второй и третий интеграторы

20 соединен с первым входом с.хемы

сравнения, второй вход которой подключен к выходу четвертого интегратора , а выход - к нулевому входу третьего триггера, выход которого

25 соединен с входом временного демодулятора, второй выход источника опорного напряжения через блок задания начальных условий подключен к управляющему входу четвертого интегратора, другой вход которого через второй ключ соединен с выходом вычитающего устройства, а нулевой выход первого триггера подклйчен к управляющему входу первого интегратора, к входу одновибратора и к нулевому входу второго триггера, при этом выходы одновибратора и второго триггера соединены соответственно с управляющими входами второго и третье.- го интеграторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Авторское свидетельство СССР № 438933, кл. G 01 Р 5/00, 1974. 2. Авторское свидетельство по заявке № 2781376/18-10, кл. G 01 Р 5/00, 1979 (прототип).

/

/

/

r

../

XD

/

/