УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ

Устройство для измерения пульсаций скорости течения
Полезная модель относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использована при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров пульсаций скорости течения среды.
Известны различные устройства, предназначенные для измерения пульсаций скорости течения среды (жидкости или газа), содержащие преобразователи скорости в электрический сигнал (датчики) (см., например, ).
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 пульсаций скорости течения 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 пульсаций скорости течения 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.
МПК G01P 5/08
Устройство 2 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 2 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.
Устройство 3 содержит первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, идентичные первому преобразователю скорости в электрический сигнал, расположенные на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от него, а также вычислительный блок, входы которого с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий, соответственно, а выход является выходом устройства. После обработки в вычислительном блоке сигналов, поступающих с преобразователей скорости в электрический сигнал, на выходе устройства формируется сигнал, свободный от вибрационных помех.
Недостатком устройства 3 является большой линейный размер устройства. Недостаток обусловлен тем, что для обеспечения компенсации вибрационных помех второй и третий преобразователи пульсаций скорости находятся на одной прямой линии по разные стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал на расстоянии, исключающем пространственную фильтрацию пульсаций скорости течения.
Устройство 4  , являющееся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому, содержит преобразователь скорости в электрический сигнал, выполненный в виде постоянного магнита, в зазоре
Ш11Л(Ц1
- 2 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 4 не высока. Кроме этого устройство 4 не позволяет измерять ортогональные составляющие пульсаций скорости течения в условиях вибрационных помех.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения ортогональных составляющих пульсаций скорости течения в условиях вибрационных помех.
Для решения поставленной задачи в устройстве для измерения пульсаций скорости течения, содержащем преобразователь скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные первый акселерометр, продольная ось которого параллельна продольной оси преобразователя скорости в электрический сигнал, и первый усилитель, а также первый интегратор, преобразователь скорости в электрический сигнал выполнен трехкомпонентным, а в устройство введены второй, третий, четвертый, пятый и шестой акселерометры, идентичные первому акселерометру, жестко связанные с ним и с преобразователем скорости в электрический сигнал и расположенные вместе с первым акселерометром в вершинах правильного октаэдра, второй, третий, четвертый, пятый и шестой усилители, идентичные первому усилителю, девять идентичных полосовых фильтров, второй, третий, четвертый, пятый и шестой интеграторы, идентичные первому интегратору, три идентичных блока вычитания, а также блок вычисления функций
- 3 j.Vbt/, 2  jj из+и.Цз-и.  + ----x, rr Us+U6 U -U2 2   j  - 4  (1)
где f/,, C/2 3 4 5 6  напряжения на первом, втором, третьем, четвертом, пятом и шестом входах упомянутого блока вычисления функций, соответственно. В;
и, Uy , и - напряжения на первом, втором и третьем выходах упомянутого блока вычисления функций, соответственно. В;
d - расстояния между осями диагонально расположенных акселерометров, м;
X - расстояние между преобразователем скорости в электрический сигнал и центром октаэдра, м;
при этом продольная ось преобразователя скорости в электрический сигнал совпадает с продольной осью октаэдра, ось второго акселерометра параллельна продольной оси преобразователя скорости в электрический сигнал, оси третьего и четвертого акселерометров параллельны поперечной оси преобразователя скорости в электрический сигнал, оси пятого и шестого акселерометров параллельны вертикальной оси октаэдра, первый и второй акселерометры расположены на вертикальной оси октаэдра соответственно выше и ниже его центра, третий и четвертый акселерометры расположены на продольной оси октаэдра, третий акселерометр расположен между преобразователем скорости в электрический сигнал и четвертым акселерометром, пятый и шестой акселерометры расположены на поперечной оси октаэдра, входы усилителей со второго по шестой соединены с выходами акселерометров со второго по шестой, соответственно, входы полосовых фильтров с первого по шестой соединены с выходами усилителей с первого по шестой, соответственно, выходы полосовых фильтров с первого по шестой соединены со входами интеграторов с первого по шестой, соответственно, выходы которых соединены со входами упомянутого блока вычисления функций с первого по шестой, соответственно, выходы продольной, поперечной и вертикальной составляющей скорости преобразователя скорости в электрический сигнал соединены со входами полосовых фильтров с седьмого по девятый, соответственно, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого, второго и третьего блоков вычитания, вторые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами упомянутого блока вычисления функций, а выходы первого, второго и третьего блоков вычитания являются выходами соответственно продольной, поперечной и вертикальной составляющей скорости устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - схема, поясняющая взаимное расположение в пространстве преобразователя скорости в электрический сигнал и акселерометров,
на фиг. 2 - функциональная схема устройства.
На чертежах обозначены:
1, ..., 6 - акселерометры;
7- преобразователь скорости в электрический сигнал; 8, ..., 13 - усилители;
14, ..., 22 - полосовые фильтры; 23, ..., 28 - интеграторы; 29 - блок вычисления функций (1); 30, ..., 32 - блоки вычитания.
8соответствии с фиг. 1 устройство содержит трехкомпонентный преобразователь 7 скорости в электрический сигнал, шесть идентичных акселерометров 1-6, расположенных в верщинах правильного октаэдра, жестко связанных между собой и с преобразователем скорости 7 в электрический сигнал. Продольная ось преобразователя 7 скорости в электрический сигнал совпадает с продольной осью октаэдра. Оси первого и второго акселерометров 1 и 2 параллельны продольной оси преобразователя 7 скорости в электрический сигнал. Оси третьего и четвертого акселерометров 3 и 4 параллельны поперечной оси преобразователя скорости 7 в электрический сигнал. Оси пятого и шестого акселерометров 5 и б параллельны вертикальной оси октаэдра. Первый и второй акселерометры 1 и 2 расположены на вертикальной оси октаэдра соответственно выше и ниже его центра. Третий и четвертый ак- 5 селерометры 3 и 4 расположены на продольной оси октаэдра. Третий акселерометр 3 расположен между преобразователем 7 скорости в электрический сигнал и четвертым акселерометром 5. Пятый и шестой акселерометры 5 и б расположены на поперечной оси октаэдра.
Устройство содержит также (см. Фиг. 2) шесть идентичных усилителей 8-13, девять идентичных полосовых фильтров 14-22, шесть идентичных интеграторов 23-28, блок 29 вычисления функций (1) и три идентичных блока 30-32 вычитания.
Входы усилителей 8-13 соединены с выходами акселерометров 16, соответственно. Входы полосовых фильтров 14-19 соединены с выходами усилителей 8-1, соответственно. Выходы полосовых фильтров 14-19 соединены со входами интеграторов 23-28, соответственно, выходы которых соединены со входами блока 29 вычисления функций (1) с первого по шестой, соответственно. Выходы продольной, поперечной и вертикальной составляющей скорости преобразователя 7 скорости в электрический сигнал соединены со входами полосовых фильтров 2022, соответственно, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого, второго и третьего блоков 30-32 вычитания, вторые входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока вычисления 29 функций (1), а выходы первого, второго и третьего блоков вычитания являются выходами соответственно продольной, поперечной и вертикальной составляющей скорости устройства.
Расположение акселерометров 1-6 в вершинах октаэдра, расстояния между ними и расстояние от преобразователя 7 скорости в электрический сигнал до центра октаэдра определяются по нахождению центров чувствительных зон.
Расстояния d тл X выбирают в основном из условия отсутствия влияния акселерометров 1-6 друг на друга и на преобразователь 7. Обычно расстояния d тл X составляют от единиц до десятков сантиметров.
Преобразователи 7 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.
- 6 пульсаций скорости течения и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей Л,(О,01-1,0) м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот Af  fmin  fmax . В частности, для Я, {0,01-1,0) м и  м/с Af  (5-500) Гц. Если скорость подвижного носителя может изменяться, то верхнюю и нижнюю частоты диапазона рабочих частот выбирают, соответственно, из условий fmax  Vraax/A,min и fmin  Vmin/A/max. Например, диапазону рабочих скоростей носителя V(2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону Л(О,01-1,0) м соответствует полоса рабочих частот фильтра б Af(2,5-1000) Гц.
Наилучшим вариантом выполнения фильтров 14-22 является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.
Время интегрирования интеграторов 23-28 выбирают, по меньшей мере, в 5-10 раз большим максимального периода колебаний на выходе полосовых фильтров 14-22. Если полосовые фильтры 14-22 выполнены с перестройкой диапазона рабочих частот, то и интеграторы 23-28 усреднения целесообразно выполнить с переменным временем интегрирования, изменяющимся обратно пропорционально скорости движения подвижного носителя.
Блок 29 вычисления функций (1) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции весового суммирования, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель функции (1).
В преобразователе 7, например, электромагнитного типа, наряду с чувствительными элементами имеется, как правило, подключенные к ним усилители.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Носитель, например, буксируемая линия корабля экологического мониторинга, осуществляет перемещение жестко связанных преобразователя 7 скорости в электрический сигнал и акселерометров 1-6 в исследуемой среде. При этом на выходах ортогональных составляющих преобразователя 7 формируются сигналы ортогональных составляющих
л - 7 скорости с помехами, обусловленными вибрацией преобразователя 7 относительно исследуемой среды, которые после фильтрации фильтрами 20-22 поступают на входы блоков 30-32 вычитания. Одновременно на выходах акселерометров 1-6 формируются сигналы, пропорциональные соответствующим ортогональным составляющим ускорений. После усиления усилителями 8-13, фильтрации полосовыми фильтрами 14-19 и интеграторами 23-28 на выходах интеграторов 23-28 формируются сигналы, пропорциональные вибрационным составляющим в сигналах на выходах преобразователя 7. После преобразования по формулам (1) сигналов на выходах интеграторов 23-28 блоком 29 и вычитания сигналов блоками 30-32 вырабатываются неискаженные сигналы, свободные от вибрационных помех, которые поступают для последующей обработки и определения параметров пульсаций скорости течения.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет повысить точность измерения ортогональных составляющих пульсаций скорости течения в условиях вибрационных помех.
Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу изготовить предлагаемое устройство в производстве и использовать его в тех областях техники, где требуется определять параметры пульсаций скорости течения, в том числе вести контроль состояния морской среды с подвижного носителя, что характеризует полезную модель как промыщленно применимую.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Авт. св. СССР № 356564, МПК G 01 Р5/08,1972г.
2.Авт. св. СССР № 773496, МПК G 01 Р5/08,1980г.
3.Патент России № 2164691, МПК G 01 Р5/08,2001г.
4.Авт. св. СССР № 685984, МПК G 01 Р5/08,1979г. (прототип).
- в Формула