Устройство для измерения турбулентных пульсаций скорости

 

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды. Устройство содержит три идентичных преобразователя скорости в электрический сигнал, расположенных на одной прямой. Функциональный блок, входы которого с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий, соответственно предназначен для вычисления выходного сигнала, зависящего от сигналов с преобразователей и от расстояний между ними. Обеспечиваются повышение точности помех, обусловленных неравномерным движением носителя, а также уменьшение влияния аддитивных электрических помех. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды.

Известны различные устройства, предназначенные для измерения параметров турбулентной среды, содержащие преобразователи скорости в электрический сигнал (датчики) среды (см., например, [1], [2]).

Устройство [1] содержит преобразователь скорости в электрический сигнал (датчик скорости электропроводящей среды), выполненный в виде постоянного магнита, в зазоре которого установлены держатель с электродами, соединенными с электронным усилителем. При измерении турбулентных пульсаций скорости преобразователь скорости в электрический сигнал устанавливают в исследуемом потоке и судят о параметрах потока по параметрам электрического сигнала на выходе электронного усилителя.

Недостатком известного устройства [1] является недостаточная точность определения параметров турбулентной среды из-за высокой чувствительности преобразователя скорости в электрический сигнал к паразитным сигналам, возникающим в результате вибраций и неравномерного движения носителя, установленного, например, на буксируемой линии.

Устройство [2] содержит преобразователь скорости в электрический сигнал (датчик скорости электропроводящей среды), выполненный в виде постоянного магнита, в зазоре которого установлены держатель с электродами, соединенными с электронным усилителем. Для компенсации паразитных сигналов, возникающих в результате неравномерного движения преобразователя в исследуемой жидкой среде, устройство дополнительно содержит последовательно соединенные акселерометр, продольная ось которого параллельна продольной оси электромагнитного преобразователя скорости в электрический сигнал, усилитель, интегратор и сумматор, второй вход которого подключен к выходу усилителя, соединенного с электромагнитным преобразователем скорости в электрический сигнал.

Введение акселерометра, усилителя, интегратора и сумматора позволяет несколько снизить влияние на результаты измерений помех, обусловленных неравномерным движением носителя. Однако эффективность снижения влияния помех в устройстве [2] невысока.

Известно также устройство для измерения турбулентных пульсаций скорости электропроводной жидкости [3], являющееся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству. Это устройство содержит три электрода, один из которых расположен между двумя другими, постоянный магнит, выполненный в форме тела вращения. Три электрода и участки магнитной системы, включающей постоянный магнит, образуют три преобразователя скорости в электрический сигнал. Преобразователи скорости подключены к электронной схеме, включающей два дифференциальных усилителя и сумматор.

Недостатком устройства - устройства прототипа является низкая точность измерения. Указанный недостаток обусловлен тем, что для компенсации влияния вибраций и неравномерного движения носителя используются те же электроды, что и для формирования полезного сигнала. В результате наряду с компенсацией сигналов помех компенсируются и полезные сигналы.

Указанный недостаток устранен в предлагаемом изобретении, сущность которого заключается в том, что в устройстве для измерения турбулентных пульсаций скорости, содержащем первый преобразователь скорости в электрический сигнал, расположенный между вторым и третьим преобразователями скорости в электрический сигнал, первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал выполнены идентичными, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал на расстояниях (0,1-1,0) м от него, а в устройство введен блок вычисления функции где U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции; К - масштабный коэффициент; R₂, R₃ - расстояния от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал соответственно, м; U₁, U₂, U₃ - напряжения на первом, втором и третьем входах упомянутого блока вычисления функции соответственно, B, при этом входы упомянутого блока вычисления функции с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, а выход упомянутого блока вычисления функции является выходом устройства.

В предлагаемом устройстве второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал могут быть расположены на равных расстояниях от первого преобразователя скорости в электрический сигнал.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - функциональная схема устройства; на фиг. 2 - схема, поясняющая взаимное расположение преобразователей скорости в электрический сигнал.

На фиг. 1 обозначены: 1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал; 2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал; 3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал; 4 - блок вычисления функции (1).

На фиг. 2 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал;
R₂, R₃ - расстояния от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический cигнал соответственно.

В соответствии с фиг. 1 устройство содержит идентичные первый, второй и третий преобразователи 1, 2, 3 скорости в электрический сигнал, выходы которых соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока 4 вычисления функции (1), выход которого является выходом устройства.

Преобразователи 1-3 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.

Блок 4 вычисления функции (1) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции весового суммирования и вычитания, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель функции (1).

Преобразователи 2 и 3 скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой на расстояниях R₂ = (0,1-1,0) м и R₃ = (0,1-1,0) м от преобразователя 1 (фиг. 2). При этом прямая, на которой расположены преобразователи 1-3, может иметь в пространстве любое положение при условии сохранения их работоспособности преобразователей 1-3. В частности, преобразователи 1-3 должны быть правильно ориентированы по отношению к направлению набегающего потока и не должны "затенять" друг друга.

Наиболее простым и предпочтительным вариантом является вариант, при котором выполняется условие R₂=R₃, в этом случае выражение (1) упрощается:

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Носитель, например буксируемая линия корабля экологического мониторинга, осуществляет перемещение жестко связанных преобразователей 1-3 скорости в электрический сигнал в исследуемой среде. Из выходного сигнала преобразователя в блоке 4 происходит вычитание сигналов преобразователей 2 и 3 по формуле (1) или в частном случае по формуле (2). После обработки в блоке 4 неискаженный сигнал, свободный от вибрационных помех, поступает для последующей обработки и определения параметров турбулентности.

Предлагаемое изобретение может быть использовано как для измерения однокомпонентных пульсаций скорости, так и для многокомпонентных. В последнем случае выходные сигналы по каждому каналу обрабатываются с помощью блоков вычисления функции (1), количество которых соответствует количеству измеряемых компонент скорости.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить точность измерения турбулентных пульсаций скорости в условиях влияния помех, обусловленных неравномерным движением носителя. Кроме этого, предлагаемое изобретение позволяет существенно расширить рабочий диапазон пространственных масштабов измеряемых турбулентных пульсаций скорости.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить предлагаемое устройство и использовать его в тех областях техники, где требуется определять параметры турбулентности, в том числе вести контроль состояния морской среды с подвижного носителя, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

Список литературы
1. Авт. св. СССР N 356564, МПК G 01 P 5/08, 1972 г.

2. Авт. св. СССР N 685984, МПК G 01 P 5/08, 1979 г.

3. Авт. св. СССР N 773496, МПК G 01 P 5/08, 1980 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения турбулентных пульсаций скорости, содержащее первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, между которыми расположен первый преобразователь скорости в электрический сигнал, отличающееся тем, что первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал выполнены идентичными, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой с первым преобразователем скорости в электрический сигнал на расстояниях 0,1 - 1,0 м от него, а в устройство введен блок вычисления функции

где U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции;
K - масштабный коэффициент;
R₂ и R₃ - расстояния от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал соответственно, м;
U₁, U₂ и U₃ - напряжения на первом, втором и третьем входах упомянутого блока вычисления функции соответственно, В,
при этом входы упомянутого блока вычисления функции с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, а выход упомянутого блока вычисления функции является выходом устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены на равных расстояниях от первого преобразователя скорости в электрический сигнал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2