Способ измерения частоты и амплитуды морских ветровых волн

 

Применение: изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность регистрации профиля волнения на водной поверхности при метеорологических и океанографических исследований. Сущность изобретения: на катушках дистанционного отклонения акселерометров формируют гармонический сигнал определенной частоты и амплитуды, который накладывают на информативные сигналы датчиков. Формирование выходного сигнала по измеряемому параметру включает выделение и компенсацию из информативного сигнала акселерометров сигналов по углу наклона этих датчиков относительно вертикали и составляющей от ускорения свободного падения. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (505 G 01 С 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАН И Е И ЗОБ РЕТЕ Н И Я

1 О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (213 4942053/10 (22) 04,06.91 (46) 30.04.93. Бюль 16 (71) Казанский авиационный институт им. А, Н.Туполева (72) Ю.В.Дубинский, Н.Ю.Мордашова и

А.B.Ференец (55) Авторское свидетельство СССР

Рв 1613861, кл. G 01 С 13/00, 1987. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ И

АМПЛИТУДЫ МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ

8OflH (57) Применение: изобретение относится к измерительной технике и позволяет повыИзобретение относится к измерительной технике, в частности, для измерения параметров ветровой волны и может быть использовано, например, при метеорологических и океанографических исследованиях, Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг.1 изображена структурная схема обработки информативных сигналов, где 1— поплавок датчика вертикальных колебаний уровня водной поверхности, 2 — генератор переменного тока, 3 — акселерометры (КДО— катушка дйстанционного отклонения, ДС— датчик сигнала), 4, 10 — разностные усилителй; 5, 11 — двойные интеграторы, 6 — функци„„ Ы„„1812429 А1 сить точность регистрации профиля волнения на водной поверхности при метеорологических и океанографических исследований. Сущность изобретения: на катушках дистанционного отклонения акселерометров формируют гармонический сигнал определенной частоты и амплитуды, который накладывают на информативные сигналы датчиков. Формирование выходного сигнала по измеряемому параметру включает выделение и компенсацию иэ информативного сигнала акселерометров сигналов по углу наклона этих датчиков относительно вертикали и составляющей от ускорения свободного падения, 4 ил. ональный преобразователь, 7 — сумматор, 8.-" -" з делящее устройство, 9 — источник опорного напряжения, 12 — регистратор.

Поплавок 1 датчика вертикальных колебаний уровня водной поверхности жестко связан с акселерометрами 3. Выход генератора переменного тока 2 связан со входом M катушек дистанционного отклонения аксе. лерометров 3. Выходы акселерометров 3 связаны со входами первого раэностного усилителя 4 и сумматора 7. Выход первого разност ного усилителя 4 через первый двойной интегратор 5 и функциональный преобразователь 6, а выход сумматора 7 непосредственно связаны с делящим устройством 8. Выход делящего-устройства 8, э

1812429 также выход источника опорного напряжения 9 соединены через второй разностный усилитель 10 и второй двойной интегратор

11 с регистратором профиля волнения 12.

Волнограф, реализующий данный способ измерения, может быть .выполнен по ввт.св. Q 1613861. Волнограф содержит три разнесенных на одинаковое расстояние друг относительно друга базовых поплавок, жестко связанных между собой конструкцией из штанг, и заглубленный груз, связанный с поплавками. На одном из поплавков закреплен флюгер для ориентации всего устройства по направлению распространения волны, Датчик вертикальных колебаний уровня вбдной поверхности выполнен в виде поплавка, имеющего за счет осевого шарнира вертикальную степень свободы относительно конструкции по оси, проходящей через ее центр, С поплавком датчика

:вертикальных колебаний уровня водной по: верхности жестко связаны даа вертикально ориентйрованных акселерометра. разне. сенных от поплавка датчика нэ одинаковое расстояние по направлению оси флюгера, Устройство работает следующим образом. При.ветровом волнении за счет флюгера обеспечивается ориентация всей измерительной системы параллельно направлению распространения волны, и за счет базовых поплавков, связанных с эа.глубленным грузом, обеспечивается устой-, чивость конструкции и уменьшаются ее . горизонтальные перемещения. Поплавок 1 эа счет конструктивной схемы имеет свободное перемещение в вертикальной и минймальное перемещение в горизонтальной плоскостях. С поплавком 1 жестко связаны два. вертикально ориентированных акселерометра 3, на вход катушек дистанционного: отклонения которых с генератора переменного тока 2 подают гармонический сигнал.

Частота гармонического сигнала f выбирается в диапазоне fp < f <.fp, где fp — частота верхней границы измеряемого диапазона волн, fp — собственная частота экселерометра, à его амплитуда равна А = Л О/М, где

Л 0 — порог реагирования акселерометра. k— крутизна характеристики катушки дистанционного отклонения, Посредством гармонического сигнала обеспечивается колебание чувствительного элемента акселерометров с высокой частотой. В результате трение покоя инерцирнной массы акселерометров становится равной нулю, что обеспечивает снижение

nopora реагирования акселерометров и, следовательно; повышает точность измерения s области. низких частот колебаний, Акселерометры 3 выдают сигналы, включающие следующие составляющие:

Первый акселерометр

1) составляющая от вертикального ускоРениЯ а y= aycos v (напРимеР, с положительным знаком, фиг.2);

2) составляющая от ускорения свободного падения а ti= gcos v (нэпример, с отрицательным знаком, фиг.2);

10 3) составляющая от углового ускорения а = vLt. где L> — расстояние от центра масс объекта до первого акселерометра (например,, с положительным знаком. фиг.2);

4) гармонический сигнал с генератора

15 .переменного тока аг = Л asin в t.

Второй акселерометр

1) составляющая от вертикального ускорения а "y= аусоз v {соответственно с положительным знаком, фиг.2);

2) составляющая от. ускорения свободного пвденйя a "g- gcos т(соответственно с отрицательным знаком, фиг.2);

3) составляющая от углового ускорения а „ =:м L2, где 1.2 — расстояние от центра масс

25 до второго акселерометра (в соответствии с фиг.2 с отрицательным знаком);

4) гармонический сигнал с генератора переменного тока аг = Л asin в t.

Таким образом, сигналы riepaoro и второго акселерометров могут. быть описаны соответственно следующими выражениями: а =aycos v — gcosv+ v Li+Л asin вt; а" = aycos v — gcos v — У б2+ Л asin гл t

Если акселерометры идентичны и расстояние от центра масс до экселерометров

3 равны Lj = Lz = L, тогда суммарный сигнал с двух акселерометров, формируемый сумматором 7 (с коэффициентом передачи 1/2). может быть описан выражением а + а" = (ay-g)cos v+ Л asln гл t

45 . Рэзностный сигнал с акселерометров, формируемый рэзностным усилителем 4, имеющим коэффициент передачи 1/2, в

50. этом случае запишется в аиде

° 4 а -а" =- Lv, причем коэффициент L определяет чувствительность устройства по угловому ускорению, Для получения информации по углу vсигнал с разностного усилителя 4 необходимо дважды проинтегрировать. Таким образом, выходной сигнал интегратора 5

1812429 пропорционален углу м, который функцио- Заявляемый способ измерения паранальный преобразователь 6 преобразует в метров морского волнения может быть реасоответствиисфункциейкосинусасозю. Де- лизован и в устройстве по заявке на ление сигнала с сумматора 7 на сигнал с изобретение t4 4497433 от 24.10.88 г. с функционального преобразователя 6 проис- 5 положительным решением о выдаче авторходит в делителе 8, выходной сигнал кото- ского свидетельства бт 30,01.90 r. рого может быть записан в виде .. Конструкция волнографа состоит из по.плавка и связанного:с ним груза и флюгера.

+ „sin м t . Ha фиг.3 изображена структурная схема обUa а — д+Ла соэ у . 10 работки информативных сигналов, тде 1— поплэхвок, 2 — -генератор переменного тока, Сигнал с делителя 8, пропорциональ- 3 и 4- вертикально ориентированные аксеный разности вертикального ускорения в1 л- — леронмгетры, 5 — горизонтально ориентйрсонографэ и ускорения свободного падения, ванный акселерометр, 6, 16 — сумматоры, 7, поступает на один из входов разностного 15 9, 13; 22 — делители, 8,12, 18 — раэностные усилителя 10, на второй вход которого пода- . усгилйтегли. 10, 19- двойные интеграторы, 11 -, ется сигнал с йсточника огГорного напряже- — регистратор, 14 — умножитель:, 15, 17- источ-. ния 9, пропорциональный значению никтиопорногонапряжения,20,21-гфункциускорения свсободного падения. Таким об- . овальные преобрвэователиз 23 — квадратор, разом будет компенсироваться составляю- 20 24 — масштабный усилитель, щэя от ускорения свободного падения. Поплавок 1 жесткО связан с ориентироСигнал с раэностного усилителя будет npo- ванными взаимно перпендикулярно акселепорционален следующей. величине рометрэмхи 3, 4 и 5, а также с флюгером и. грузом, Выход генератора переменного ток(я гц r ., 25 ка 2 связан со входом катушек дистанцион- в . соз т : ного откяонения аксеаерометров 3; 4 и 5.

Выходы акселерометров 3 и 4 связаны со

Сигнал с разностного усилителя 10, про- входами сумматора 6 и nepaoro разностного порционэльный вертйкальному ускорению усилителя 18, Выход первого раэнсистного йоплтавкэ датчика вертикальных колебаний 30 усилителя 18 через первый двойной интег-. урогвня водной похверхности 1, дважды ин- . Ратор 19 и первый функциональный flp806 тегрируется двойным интегратором- 11, . Рэзователь 20 связаны с первым входом

Двойной интегратор 11 осуществляет филь-: пхеРвого делителя 7, à со вторым его входом трацию сан.нала для частот, лежащих выше связан выход сумматора 6, Выход делителя измеряемого частотного диапазона волн, 35 7, а также выход первого источника опорно-: поэтому составляющая сигнала О ге . ro напряжения 15 соединены через. второй . разностиый усилитель 8. второй делитель 9

sin в t ., " .: .: и второй двойной интегратор 10 с регистраЦгч Д,Д

Cog p, .:: ":: тором профиля волнения 11. Вйход первого

40 двойного ийтегратора 19 через второй фунгде. частота со определяется гейератором . . кциональный преобразователь 21 соединен переменного тока 2 не будет вносить no- .. с первыгм входом четвертого делителя 22, э грешность в измерения профиля волнения, со вторым его входом соединен выход перрегистрируемые регистратором 12.: .,: вого функционального преобразователя 20.

8 качестве экселерометров могут быть 45 Вых од делителя 22 связан со входом умноиспользовэны датчикй типа ДЛУММ (датчик г,. жителя 14 непосредственно и через квадра-. лийейных ускорений микроминиатюрный)., тор 23 со входом второго сумматора 16, Разностныеусилйтели, сумматори интегра-:, второй вход которого соединен со вторым торы могут быть выполнены на базе опера- источником опорного напряжения 17. Выционных усйлитМей серии 140УД14.., 50 ход второго сумматора 16 связан со вторым

Функциональный преобразователь и входом втоРого делителя 9. Выход третьего делящее устройство могут быть выполнены, .аксхелерометрэбсоедихненстретьим входом например; на бээе аналого-цифрового пре- -. второго разностного усилителя 8 через пообразователя 572А81, постоянно запоми- - - следовательно соединенные третий разнонающего устройства 568РЕ1 и 55 стный.усилитель 12, третий делитель 13 и цифро-аналогового преобразователя умножитель 14. Выход второго функцио572ПА2. В качестве регистратора может нальногЬ преобразователя 21 соединен со быть использован шлейфовый осциллограф, вторым входом третьего рэзностного усилимагнитный накопитель и т.д. теля !2 через масштабный усилитель 24, а выход первого функционального преобра1812429 зователя,20 соедийен со вторым входом 1)составляющаяотгоризонтальногоустретьего делителя 13. корения а" х= ахсоз v (соответственно с поУстройство работает следующим обра- ложительным знаком, фиг.4); зом. При. ветровом волнении вся измери- 2) составляющая от вертикального ускотельная система ориейтируется таким 5 рения а "y=aysln и (соответственно с отриобразом, что ось флюгера становится парал- цательным знаком, фиг,4); лельно направлению распространения вол- 3) составляющая от ускорения свобод„ы наличие груза обеспечивает ного падения а" в= gsln v (соответственно с устойчивость конструкции и уменьшает ее положительным знаком, фиг,4); горизонтальные перемещения. Поплавок 1 10 4) гармонический сигнал с генератора .жестко связан с двумя вертикально ориен- переменного тока аг = Лаз!п ан. тированными акселерометрами 3 и 4, кото- Таким образом, сигналы акселерометрые разнесены от него на одинаковое ров 3, 4 и 5 могут быть описаны соответстрасстояние в плоскости флюгера. Третий ак- венно следующими выражениями: селерометр 5, закрепленный а центре масс, 15 ориентйрован горизонтально по ходу рас- а = аусоз v — gcos V+ абаз!и v + v Ь + Л ах пространения волн. xsIn cut„

Параметры гармойического сигнала, подаваемого на катушки дистанционного от- а" = aycos v- цсоз v+ asin v- vL + ах

-клонения акселерометров 3, 4 и 5 и его 20>sino ò. влияние на процесс измерения аналогичны рассмотренным в примере М 1, а " = ахсоз v-aysin v+ gsin v+ basin oN

Акселерометры 3 и 4 выдают сигналы,, хт включающие следуюгдие составляющие:

Акселерометр 3. 25 Если акселерометры идентичны и рас1) составляющая от вертикального уско стояние от центра масс до акселерометров рения а y= aycosv (например, с положитель 3 и 4 равны L> = L2 = 1„, тогда суммарный ным знаком, фиг.4): сигнал с акселерометров 3 и 4, формируе2) составляющая от ускорения свобод- . мый сумматором 6 (с коэффициентом переного падения а = gcos v (например с.отри 30 дачи 1!2), может быть описан выражением; цательным знаком, фиг.4);

3) составляющая от горизонтального ус- a + a" = (ay g)cos v+ a>sin v+ Qа корения а х= a>slnv (например, с положительным знаком, фиг,4); Разностный сигнал акселерометров 3 и

4) составляющая от углового ускоРения 35 4, формируемый разностным усилителем 18, a =v Lj, где L> — расстоянйе от центра масс имеющим коэффициент передачи 1/2, в обьекта до первого акселерометра (напри- этом случае запишется в виде; мер, с положительным знаком, фиг.4);

5) гармойический сигнал с генератора а -а" = Lv, переменноготока аг= Ьasln вт, 40

Акселерометр 4.. причем коэффициент L определяет чувстви1) составляющая от вертикального усто- тельность устройства по угловому ускоререкия à "y= аусози (соответственно с поло- нию. жительным знаком, фиг,4); .: Для получения информации по yrnyv

2) составляющая от ускорения свобод- 45 сигнал с раэностного усилителя 18 необхоного падения а"в= gcos v (соответственно с димо дважды проинтегрировать. Таким оботрицательным знаком, фиг,4); разом выходной сигнал интегратора 19

3) составляющая от горизонтального ус- пропорционален углу v . который функциокорения a " = a>slnv (соответственно с по- нальные преобразователи 20 и 21 преобраложительным знаком, фиг.4); зуют в соответствии с функциями косинуса

4) составляющая от углового ускорения cosv и синуса sin v соответственно. Делеа" = v 12, где Q — расстояние от центра ние сигнала с сумматора 6 на сигнал с фунР

Мастодо второго акселерометра(в соответст- к цио н an ь ного и рео 6 разо вател я 20 вии с фиг.4 с отрицательным знаком); происходит в делителе 7, выходной сигнал

5) гармонический сигнал с генератора 55 которого может быть записан в виде: переменного тока ar = Л aslniu t.

Сигнал с акселерометра 5 содержит сле0т - а„-9+ адц м+

0 -9+а тцм+ ha з дующие составляющие: cos н

1812429

Сигнал с функционального преобразователя 21. пропорциональный синусу угла наклона через масштабный усилитель 24 с коэффициентом усиления, равным ускорению свободного падения, поступает на один 5 из входов раэностного усилителя 12, на второй вход которого подается сигнал с акселерометра 5, Таким образом, будет компенсироваться составляющая от ускорения свободного падения в сигнале с гори- 10 зонтально расположенного акселерометра

5. Сигнал с разностного усилителя 12 будет пропорционален следующей величине:

016 1+ tg т .

В делителе 13 происходит деление сигнала с раэностного усилителя 12 на сигнал, пропорциональный косинус угла наклона с функционального преобразователя 20: 20

После чего сигнзл с делителя 13 поступает 25 нэ один из входов умножителя 14.

8 делителе 22 производится деление сигналов с функциональных преобразователей 20 и 21, пропорциональных соответст- венно косинусу и синусу угла наклона таким 30

: образом, что выходной сигнал делителя 22 пропорционален тангенсу угла наклонз, Да-лее этот сигнал подается на вход квадратора 23 и на второй вход умножителя 14, выходной сигнал с которого может быть 35 описан следующий зависимостью; будет отфильтрована, т.к. заданная частота м лежит выше измеряемого частотного диапазона волнения.

В качестве акселерометров могут быть использованы датчики типа ДЛЧММ (датчик линейных ускорений микроминиатюрный).

Источники опорного напряжения, рэзностные усилители и сумматоры могут быть выполнены на базе операционных усилителей серии 140 (см., например, Лихачев В.Д, Практические схемы на операционных усилителях, - M,: Издательство ДОСААФ

СССР, 1981, с.80), умножитель, квадратор, масштабный усилитель и делители — на базе микросхем серии 525 (см., например, Алексенко А,Г., Коломбет Е.А., Стародуб Т.И.

Применение прецизионных аналоговых ИС. — M. Радио и связь, 1981, с.224). Интеграторы могут быть выполнены, например, с частотно-завйсимыми обратными связями, позволяющими проводить интегрирование в заданном диапазоне частот (см. статью Дубинский Ю.В., Ференец А.В. Инерциальный преобразователь вертикальной скорости. В кн.: Системы и элементы электрооборудования летательных аппаратов, Межвузовский сборник. Казань, 1986, с.89 — 92). Функциональные преобразовате5 ли могут быть выполнены, например, на базе аналого-цифрового преобразователя

572ПВ1, постоянно запоминающего устройства 568РЕ1 и цифроаналогового преобразователя 572ПА2.

0t4 ax tg v - aY tg2v +

si о) t соы, Вычитание сигнала, пропорциональноfo ускорению свободного падения с источ- ника опорного напряжения 15 и сигнала с 45 умножителя 14 из сигнала с делителя 7, производится раэностным усилителем 8. Его выходной сигнал будет пропорционален следующей величине:

0в-ау(1+бац v) +

012 ахсоз v — aysin v+ Лasin or t.

sin ют

0 э - а,— a>tg v+ ha

cos v

+hа " (1+tgv).

cos v

Для устранения влияния на полученный сигнал угла наклона v в сумматоре 16 производится сложение сигналов, поступающих с квадраторз 23 и с источника опорного напряжения, пропорциональных соответственно квадрату тангенса угла наклона ту и единичному сигналу. В этом случае суммарный сигнал, подаваемый на один иэ входов делителя 9 с сумматора 16 будет иметь вид:

На второй вход делителя 9 подается сигнал с разностного усилителя 8:

sinåt 1+tg v

09 a„+ha совv 1 +tg2v

Сигнал с делителя 9, пропорциональный вертикальному ускорению поплавка, дважды интегрируется двойным интегратором 10 и регистрируется регистратором профиля волнения 11, При двойном интегрировании сигнала с делителя 9 составляющая: д sino>t 1+1у1

cos v 1,С2 „

1812429

9 качестве регистратора может быть ис- формируют сигналы с акселерометрических полъзован шлейфовый осциллограф, маг- датчиков, компенсируют влияние угла на- нитный накопитель и т.д. Таким образом, клона их осйчувствительности относительдайный способ измерения параметров мор- .: но вертикали и .формируют выходной ского волнения; реализованный на двух 5 сигнал. пропорциональный определяемым примерах; показывает, йто в процессе изме- параметрам волн, отличающийся тем, . рений происходит повышение точности из- что, с целью повышения.тойности прйформерения нф низких частотах измеряемого мированийсигйаловсакселерометрических диапазона. ..::;- .:: : ::: ... .,: датчиков; накладывают на нихдополнительТехнйко-зкономическая эффективность 10 нье гармонические сигналы с чаСтоты f, ле- предложенного способа измерения пара- .жащейвдиапазоне1о< f

Способ определения частоты и ампли- - акселерометра. туды морских ветровых волн. при котором

1812429

Составитель Ю.Дубинский

Техред М.Моргентал Корректор И. Муска

Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 1570 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5