способ определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех

Классы МПК:G01P5/08 путем измерения изменений электрической величины, непосредственно зависящей от потока 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Закрытое акционерное общество "Ассоциация предприятий морского приборостроения"
Приоритеты:
подача заявки:
2001-04-04
публикация патента:

Способ предназначен для использования при проведении экологических исследований, в океанологии и других областях техники. Технический результат - обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех. Одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных на одной прямой линии и жестко связанных между собой идентичных четырех преобразователей, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по расчетной формуле. 6 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

Формула изобретения

Способ определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех, характеризующийся тем, что одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных на одной прямой линии и жестко связанных между собой идентичных первого-четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по расчетной формуле

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378

где способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378 усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, м/с2;

U1, U2, U3 и U4 - напряжения на выходах соответственно первого-четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, В;

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378 усредненное значение сигнала (U1-U2-U3+U4)2, В2;

КПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/(м/с);

F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) - коэффициент, зависящий от отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782;

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781 и способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;

R = R12 = R23 = R34;

R12, R23 и R34 - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал соответственно, м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентных пульсаций скорости в морской среде.

Для решения задачи определения статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости в морской среде необходимо иметь высокочувствительный преобразователь скорости в электрический сигнал. Одной из причин, препятствующих определению статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости в морской среде, является чувствительность преобразователя скорости к паразитным сигналам, возникающим в результате вибраций преобразователя, установленного на подвижном носителе, например, на буксируемой линии, что не позволяет определять, в частности, усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости, которое является важнейшей энергетической характеристикой турбулентности.

В результате проведенных патентно-информационных исследований аналогов предлагаемого способа не обнаружено.

Задачей изобретения является обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных на одной прямой линии жестко связанных между собой идентичных первого, второго, третьего и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, которые перемещают прямолинейно и равномерно в исследуемой морской среде, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по формуле

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378

где способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378 усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, м/с2;

U1, U2, U3 и U4 - напряжения на выходах соответственно первого, второго, третьего и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, В;

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378 усредненное значение сигнала (U1-U2-U3+U4)2, В2;

КПР - коэффициент преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал, В/м/с;

F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) - коэффициент, зависящий от отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782;

способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781 и способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 - верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей соответственно, м;

R=R12=R23=R34;

R12, R23 и R34 - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал соответственно, м.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

на фиг. 2 - схема, поясняющая взаимное расположение преобразователей скорости в электрический сигнал;

на фиг. 3 - схема, поясняющая взаимное расположение первого и второго преобразователей скорости в электрический сигнал;

на фиг. 4 - значения F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) для различных отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 для турбулентных пульсаций скорости в направлении движения преобразователей;

на фиг. 5 - значения F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) для различных отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 для турбулентных пульсаций скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-4 и перпендикулярном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-4;

на фиг. 6 - значения F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) для различных отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 для турбулентных пульсаций скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-4 и параллельном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-4.

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 - четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал;

5 - блок вычисления функции (2).

6 - полосовой фильтр;

7 - квадратор;

8 - блок усреднения;

9 - масштабный блок;

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;

4 - четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал;

R12, R23 и R34 - расстояния между первым и вторым, вторым и третьим, третьим и четвертым преобразователями скорости в электрический сигнал, соответственно.

На фиг. 3 обозначены:

1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;

2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;

10 - чувствительные элементы преобразователей 1, 2;

11 - дифференциальные усилители;

R12 - расстояние между первым и вторым преобразователями 1 и 2 скорости в электрический сигнал.

В соответствии с фиг. 1 устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит идентичные первый, второй, третий и четвертый преобразователи 1, 2, 3, 4 скорости в электрический сигнал, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами блока 5 вычисления функции (2).

К выходу блока 5 вычисления функции (2) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 6, квадратор 7, блок 8 усреднения и масштабный блок 9.

Преобразователи 1-4 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.

В каждом преобразователе 1-4, например электромагнитного типа, наряду с чувствительным элементом 10 имеется, как правило, подключенный к чувствительному элементу 10 усилитель, в частности, дифференциальный усилитель (ДУ) 11 (фиг. 3).

Блок 5 вычисления функции (2) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции суммирования и вычитания, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель функции (2).

Полосу пропускания полосового фильтра 6 выбирают в зависимости от пространственного масштаба анализируемых турбулентных неоднородностей и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей от способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782= 0,01 м до способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781=l,0 м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378f=fminспособ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378fmax В частности, для способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782=0,01 м, способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781=1,0 м и V=5 м/с способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378f=(5-500) Гц. Если скорость подвижного носителя может изменяться, то верхнюю и нижнюю частоты диапазона рабочих частот выбирают соответственно из условий fmax = Vmax/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и fmin = Vmin/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781. Например, диапазону рабочих скоростей носителя V (2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону от способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782=0,01 м до способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781=1,0 м соответствует полоса рабочих частот фильтра 6 способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378f=(2,5-1000) Гц. Наилучшим вариантом выполнения фильтра 6 является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.

Время усреднения блока 8 выбирают, по меньшей мере, в 5-10 раз большим минимального периода колебаний на выходе полосового фильтра 6. Если полосовой фильтр 6 выполнен с перестройкой диапазона рабочих частот, то и блок 8 усреднения целесообразно выполнить с переменным временем усреднения, изменяющимся обратно пропорционально скорости движения подвижного носителя.

Масштабный блок 9 предназначен для масштабирования значения сигнала, полученного на выходе блока 8 усреднения. Его значение выбирают, как правило, равным 1/[K2способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 2184378F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R)], где значения F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) определяют на основании обработки экспериментальных данных. В частности, значения F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) для различных отношений способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 и R/способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782 в случае, когда преобразователи расположены на прямой, перпендикулярной направлению движения преобразователей 1-4 (фиг. 2), приведены на фиг. 4-6.

Блоки 6-9 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на сущность изобретения. Схемы построения блоков 6-9 хорошо известны.

Преобразователи 1-4 скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой на расстояниях R=R12=R23=R34 (фиг. 2). Прямая, на которой расположены преобразователи 1-4, может иметь в пространстве любое положение при условии сохранения работоспособности преобразователей 1-4. В частности, преобразователи 1-4 должны быть правильно ориентированы по отношению к направлению набегающего потока и не должны "затенять" друг друга. Наилучшим вариантом является такая ориентация преобразователей 1-4, при котором прямая, на которой они расположены, перпендикулярна направлению движения.

Расположение преобразователей 1-4 на одной прямой, расстояния между преобразователями 1-4 определяются по нахождению центров чувствительных зон. Обычно это ось симметрии чувствительного элемента 6 (см., например, фиг. 3). Поскольку геометрические размеры чувствительного элемента 6 каждого из преобразователей 1-4 во много раз меньше расстояния между ними, необходимые геометрические соотношения легко определяются.

Минимальные расстояния между преобразователями 1-4 выбирают из условия отсутствия влияния друг на друга. Максимальные расстояния ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-4. Обычно расстояния R=R12=R23= R34=(0,1способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,0) м.

Определение усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех предлагаемым способом производят следующим образом.

Идентичные преобразователи 1, 2, 3, 4, конструктивно жестко связанные между собой, перемещают прямолинейно равномерно в исследуемой морской среде (см. фиг. 2). Обычно прямую, на которой расположены преобразователи 1-4, ориентируют вертикально или горизонтально перпендикулярно направлению движению носителя. Осуществляют одновременно преобразование скорости в электрический сигнал с помощью первого, второго, третьего и четвертого преобразователей 1, 2, 3 и 4 скорости в электрический сигнал. После обработки поступающих от преобразователей 1, 2, 3 и 4 сигналов определяют усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде по формуле (1). Благодаря вычитанию и суммированию сигналов преобразователей 1, 2, 3, 4 осуществляется компенсация аддитивных вибрационных помех. При этом определение истинного усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде обеспечивается учетом корреляционных связей сигналов с выходов преобразователей 1-4. Учет этих связей достигается применением коэффициента F(способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843781,способ определения усредненного значения квадратичных   значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в   условиях аддитивных вибрационных помех, патент № 21843782,R) значения которого приведены на графиках (фиг. 4-6).

При необходимости усредненные значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде могут определяться непрерывно в течение заданного периода времени при исследовании заданной акватории. В этом случае полученные значения регистрируются известными средствами, например самописцем и т.п.

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, предлагаемый способ позволяет определять усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить в производстве устройство, реализующее предлагаемый способ, и использовать предлагаемый способ 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.

Класс G01P5/08 путем измерения изменений электрической величины, непосредственно зависящей от потока 

электромагнитный лаг-дрейфомер -  патент 2503014 (27.12.2013)
устройство для измерения параметров турбулентного потока жидкости (варианты) -  патент 2420743 (10.06.2011)
устройство для измерения скорости потока вещества -  патент 2415440 (27.03.2011)
устройство для измерения пульсаций скорости потока жидкости -  патент 2412447 (20.02.2011)
устройство для распознавания аномалий в морской среде с подвижного носителя -  патент 2411521 (10.02.2011)
приемное устройство индукционного лага -  патент 2407020 (20.12.2010)
двухкомпонентный датчик измерителя скорости электропроводящей жидкости -  патент 2399059 (10.09.2010)
преобразователь скорости с компенсацией электрических помех -  патент 2338207 (10.11.2008)
преобразователь скорости с зоной формирования сигнала вне пограничного слоя -  патент 2335774 (10.10.2008)
способ определения скорости потока вещества в трубопроводе -  патент 2324945 (20.05.2008)
Наверх