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 зести 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.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех 1, которое содержит идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, и вычислительный блок, а также последовательно соединенные полосовой фильтр.
МПК GOIP 5/00
квадратор, блок усреднения и масштабный блок, при этом второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены 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, входы упомянутого вычислительного блока 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.
Недостатком устройства 1 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 турбулентных пульсации скорости.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде с низким уровнем энергии турбулентности в условиях аддитивных вибрационных помех с уменьшенными линейными размерами устройства.
Сущность полезной модели заключается в том, что для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости одновременно осуш;ествляют преобразование скорости в электрический сигнал с помощью расположенных в вершинах квадрата 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
- 2 - (U,-U,-U,+U,)
,.F(A,,,7) (
F - усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, (м/с);
t/i и t/4  напряжения на выходах соответственно первого и четвертого преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в одной паре противоположных вершин упомянутого квадрата. В;
1/2 VL и - напряжения на выходах соответственно второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал, расположенных в другой паре противоположных вершин упомянутого квадрата. В;
(U -UT-U +U J - усредненное значение сигнала (С/, - С/2  з + 4)
- коэффи  энт преобразования каждого из преобразователей скорости в электрический сигнал. В/(м/с);
Д, и   верхняя и нижняя границы диапазона измеряемых пространственных неоднородностей, соответственно, м;
R - длина каждой стороны упомянутого квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал, м;
F{A,A2,R) - коэффициент, зависящий от отношений / и /
Устройство для определения усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех, содержит идентичные первый, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и масштабный блок, выход которого является выходом устройства, а также четвертый преобразователь скорости в электрический сигнал, идентичный первому, второму и третьему преобразователям скорости в электрический сигнал, и блок вычисления функции
и  к(и,-и,-и, + и,),
и - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции, В; К - масштабный коэффициент;
(7,, f/2 / t/3  4  напряжения на первом, втором, третьем и четвертом входах упомянутого блока вычисления функции, соответственно. В;
при этом все четыре упомянутых преобразователя скорости в электрический сигнал жестко связаны между собой и расположены в вершинах квадрата, в первой паре противоположных вершин которого расположены первый и четвертый преобразователи скорости в электрический сигнал, во второй паре противоположных вершин квадрата расположены второй и третий п. еобразователи скорости в электрический сигнал, входы упомя- утого блока вычисления функции с первого по четвертый соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по четвертый, соответственно, его выход соединен со входом полосового фильтра.
Благодаря новому расположению преобразователей скорости в электрический сигнал и новому вычислительному блоку уменьшается максимальный линейный размер устройства.
Сущность полезной модели 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. 3 - схема, поясняющая взаимное расположение первого и второго преобразователей скорости в электрический сигнал.
на фиг. 4 - значения F(A,2,R} для различных отношений / и  для турбулентных пульсаций скорости в направлении движения преобразователей,
(2;
Л/Я, для турбулентных пульсаций скорости в направлениях, перпендикулярных направлению движения преобразователей (вертикальном и горизонтальном) .
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; R - длина каждой стороны квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал.
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;
/ - длина стороны квадрата, в вершинах которого расположены преобразователи скорости в электрический сигнал.
В соответствии с фиг. 1 устройство 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) .
0
- 5 к выходу блока 5 вычисления функции (2) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр б, 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 11 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 б выбирают в зависимости от пространственного масштаба анализируемых турбулентных неоднородностей и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей оч А.2 0,01 м до ,0 м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот Д/ Угпш  /тах. В частности, для 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,пах  Ут1п miiy l-Например, диапазону рабочих скоростей носителя F(2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону ,01 м до ,0 м соответствует полоса рабочих частот фильтра б Л/(2,5-1000) Гц. Наилучшим вариантом выполнения фильтра б является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.
lool 10 o
- 6 6. Если полосовой фильтр б 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  F(/l,,/l2,/), где значения Г(Л,К) определяют на основании обработки экспериментальных данных. В частности, значения F(/l,/l2,R) для различных отношений  и // в случае, когда преобразователи расположены в плоскости, перпендикулярной направлению движения преобразователей 1-4 (фиг. 2), приведены на фиг. 4, 5.
Блоки 6-9 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на.сушность полезной модели. Схемы построения блоков 6-9 хорошо известны.
Преобразователи 1-4 скорости в электрический сигнал расположены в вершинах квадрата со стороной R (фиг. 2). При этом плоскость, в 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 набегаюшего потока и не должны затенять друг друга.
Одним из оптимальных вариантов расположения преобразователей 14 по отношению к направлению потока, является вариант, при котором преобразователи 1-4 расположены в плоскости, перпендикулярной направлению набегающего потока (фиг. 2).
Минимальную длину R выбирают из условия отсутствия влияния преобразователей 1-4 друг на друга и превышения минимального масштаба измеряемых турбулентных пульсаций скорости. Максимальная длина R ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 14. Обычно расстояния R составляют (0,1-1,0) м.
- 7 Расположение преобразователей 1-4 в одной плоскости, расстояния и углы между преобразователей 1-4 определяются по нахождению центров чувствительных зон. Обычно это ось симметрии чувствительного элемента 10 (см., например, фиг. 3). Поскольку геометрические размеры чувствительного элемента 10 каждого из преобразователей 1-4 во много раз меньше расстояния между ними, необходимые геометрические соотношения легко определяются.
Определение усредненного значения квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех производят следующим образом.
Идентичные преобразователи 1, 2, 3, 4 конструктивно жестко связанные между собой, перемещают прямолинейно равномерно в исследуемой морской среде (см. фиг. 2). Осуществляют одновременно преобразование скорости в электрический сигнал с помощью первого, второго, третьег и четвер-эго 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(/l,,A2)/ значения которого приведены на графиках (фиг . 4, 5) .
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.
мониторинга, осуществляет перемещение в исследуемой среде жестко связанных преобразователей 1-4 скорости в электрический сигнал. Выходные сигналы преобразователей 1, 2, 3, 4 обрабатываются в блоке 5 по формуле (2). После обработки в блоке 5 сигнал, свободный от вибрационных помех, фильтруется, возводится в квадрат и усредняется блоками б, 7, 8. Сигнал, пропорциональный усредненному значению квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде, поступает на вход масштабного блока 9. В блоке 9 значение выходного сигнала корректируется с учетом значений коэффициентов передачи блоков б, 7, 8 и коэффициента F(/l,, Л2,/) .
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет определять усредненное значение квадратичных значений турбулентных пульсаций скорости в морской среде в условиях аддитивных вибрационных помех при существенном уменьшении линейных размеров устройства. Расчеты показ,:вают что :инейные размеры устройства можно уменьшить в 1,21,4 раза, что имеет большое значения при установке устройства на носителях с ограниченными размерами. Кроме этого, предлагаемая полезная модель позволяет существенно расширить рабочий диапазон пространственных масштабов измеряемых турбулентных пульсаций скорости при сохранении максимального размера устройства, а также повысить чувствительность устройства. Расчеты показывают что чувствительность устройства можно увеличить до 1,3 раза.
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.
Источники информации 1. Свид. на ПМ РФ № 16033, МПК G 01 Р 5/00, 2000г. (прототип).
- 9 ФОРМУЛА