УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСРЕДНЕННОГО ЗНАЧЕНИЯ КВАДРАТИЧНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ СКОРОСТИ В МОРСКОЙ СРЕДЕ В УСЛОВИЯХ АДДИТИВНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ПОМЕХ

Устройство для определения усредненного значения квадратичных
значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде
в условиях аддитивных вибрационных помех
Полезная модель относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использована 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 предлагаемой полезной модели не обнаружено.
Задачей, рещаемой полезной моделью, является обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех.
МПК GOIP 5/00
Сущность полезной модели заключается в том, что для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех одновременно осуществляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью первого преобразователя скорости в электрический сигнал, который перемещают прямолинейно равномерно в исследуемой морской среде, а также второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал, идентичных первому преобразователю скорости в электрический сигнал и расположенных на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал на равных расстояниях от него, а усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде определяют по формуле
,, и,+изУ
и, - (i;
(Х,Д„К)
где V - усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, (м/с)/ U, , U и U - напряжения на выходах первого, второго и третьего преобразователей
скорости в электрический сигнал, соответственно. В, IU,---г1
Г Uj+UjV усредненное значение сигнала I U, -1 , В , Kjjp - коэффициент
преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал. В/(м/с), X, и 2  верхняя и нижняя границы диапазона
измеряемых пространственных неоднородностей, соответственно, м, R расстояние от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал, м, Р(Я,,Д2Ю  коэффициент,
- 2 Ггт Uj+UjV зависящий от отношений Х,/Х
Устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех 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 первого преобразователя скорости в электрический сигнал на равных расстояниях от него, блок вычисления функции
/
- 3
Г и,+U, и  к и,-
где и - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции, В, К - масштабный коэффициент, U,, U2 и Uj - напряжения на первом, втором и третьем входах упомянутого блока вычисления функции, соответственно. В, а также последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и масштабный блок, при этом входы упомянутого блока вычисления функции с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий, соответственно, его выход соединен со входом полосового
фильтра, а выход масштабного блока является выходом устройства.
Сушность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства,
на фиг. 2, 3 - схемы, поясняющие расположение преобразователей скорости в электрический сигнал,
на фиг. 4 - значения F(X,j,X,25  различных отношений Xj/Xj и R/A,2 для турбулентных пульсаций скорости в направлении движения преобразователей 1-3,
на фиг. 5, - значения F(X,,X,2jR)  различных отношений А,,/Л,2 и  ДДя турбулентных пульсаций скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-3 и перпендикулярном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-3,
на фиг. б - значения F(A,j,A,2J яля различных отношений Х.,/А,2 и К/Я-2 для турбулентных пульсаций скорости в направлении, перпендикулярном направлению движения преобразователей 1-3 и параллельном прямой линии, на которой расположены преобразователи 1-3.
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 (2).
5- полосовой фильтр;
6- квадратор;
7- блок усреднения;
8- 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;
R - расстояние от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал.
На фиг. 3 обозначены:
1- первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2- второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3- третий преобразователь скорости в электрический сигнал.
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 (2).
К выходу блока 4 вычисления функции (2) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 5, квадратор б, блок 7 усреднения и масштабный блок 8.
Преобразователи 1-3 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.
Блок 4 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 5 выбирают в зависимости от пространственного масштаба анализируемых турбулентных неоднородностей и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей от А,2 0,01 м до A,,0 м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот Af  fmin - fmax- В частности, для А,2 0,01 м, ,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   fisun nurv Например, диапазону рабочих скоростей носителя V(2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону отА,,01 м до ,0 м соответствует полоса рабочих частот фильтра 5 Af(2,5-1000) Гц. Наилучшим вариантом выполнения фильтра 5 является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.
Время усреднения блока 7 выбирают, по меньшей мере, в 5-10 раз большим минимального периода колебаний на выходе полосового фильтра 5. Если полосовой фильтр 5 выполнен с перестройкой диапазона рабочих частот, то и блок 7 усреднения целесообразно выполнить с переменным временем усреднения, изменяющимся обратно пропорционально скорости движения подвижного носителя.
Масштабный блок 8 предназначен для масштабирования значения сигнала, полученного на выходе блока 7 усреднения. Его значение выбирают, как правило, равным  F(A,j,) Д значения Р(Х,Д2) ° ределяют на основании обработки экспериментальных данных. В частности, значения Р(А,,Д2Ю Я  различных отношений А,,  2  случае, когда преобразователи расположены на одной прямой линии, перпендикулярной направлению движения преобразователей 1-3 (фиг. 3), приведены на фиг. 4, 5, 6.
Блоки 5-8 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на сущность полезной модели. Схемы построения блоков 5-8 хорошо известны.
Преобразователи 2 и 3 скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой с преобразователем 1 на расстояниях R от преобразователя 1 (фиг. 2). При этом прямая, на которой расположены преобразователи 1-3, может иметь в пространстве любое положение при условии сохранения 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.
Одним из оптимальных вариантов расположения преобразователей 13 по отношению к направлению потока, является вариант, при котором преобразователи 1-3 расположены на прямой линии, перпендикулярной направлению набегающего потока (фиг. 3).
Минимальные расстояния R выбирают из условия отсутствия влияния преобразователей 1-3 друг на друга и превышения минимального масштаба измеряемых турбулентных пульсаций скорости. Максимальные расстояния R ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-3. Обычно расстояния R составляют (0,1-1,0) м.
Определение усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех производят следующим образом.
Идентичные преобразователи 1, 2, 3, конструктивно жестко связанные между собой, перемещают прямолинейно равномерно в исследуемой морской среде (см. фиг. 2, 3). Осуществляют одновременно преобразование скорости в электрический сигнал с помощью первого преобразователя 1 скорости в электрический сигнал, а также второго и третьего преобразователей 2 и 3 скорости в электрический сигнал. После обработки поступающих от преобразователей 1, 2, 3 сигналов определяют усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде по формуле (1). Благодаря вычитанию из выходного сигнала первого преобразователя 1 полусуммы сигналов с
- 6 выходов второго и третьего преобразователей 2 и 3 обеспечивается 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 1-3. Учет этих связей достигается применением коэффициента F(X,,X25
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 устройство работает следующим образом.
Носитель, например, буксируемая линия корабля экологического мониторинга, осуществляет перемещение в исследуемой среде жестко связанных преобразователей 1-3 скорости в электрический сигнал. Из выходного сигнала преобразователя 1 в блоке 4 происходит вычитание сигналов преобразователей 2 и 3 по формуле (2). После обработки в блоке 4 сигнал, свободный от вибрационных помех, фильтруется, возводится в квадрат и усредняется блоками 5, 6, 7. Сигнал, пропорциональный усредненному значению квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, поступает на вход масштабного блока 8. В блоке 8 значение выходного сигнала корректируется с учетом значений коэффициентов передачи блоков 5, 6, 7 и коэффициента F(;.,,A,,,R).
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет определять усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных 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 турбулентности, в том числе вести контроль состояния морской среды с подвижного носителя, что характеризует полезную модель как промышленно применимую.
- 7 ФОРМУЛА