УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR DETERMINATION OF VELOCITY AND DIRECTION OF LIQUID FLOW

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости течения и направления жидкости в электропроводящих средах, преимущественно в морской воде.
Известны измерители течений, способные ориентироваться по направлению течения и измерять его скорость и направление (п. РФ №54435). Однако это крупногабаритные электромеханические конструкции, ориентирующиеся по течению только в горизонтальной плоскости. При этом вертикальная составляющая течения не учитывается и вносит ошибку измерения, не поддающуюся коррекции в известном устройстве вследствие ее сложного алгоритма. Кроме этого, в известном устройстве не учтена погрешность определения азимута за счет отклонения от вертикали и за счет вертикальной составляющей магнитного поля Земли.
Известен малогабаритный измеритель полного вектора скорости водного потока на основе электролитического метода измерения скорости течения (а.с. СССР №1638630). Измеритель содержит датчик скорости в виде вертушки и гидрофлюгер в виде обтекателя, направляющих пластин, уравновешивающих поплавков, карданного подвеса и корпуса, которые закреплены консольно на опоре с одной стороны вертикальной несущей штанги. Электролитическим способом снимают информацию о модуле вектора скорости потока и регистрируют направление вектора скорости. Однако этот прибор способен ориентироваться по направлению потока в узких пределах и не может быть использован без ручной ориентации по потоку в случаях, когда направление вектора потока изменяется на большие углы или совершает циркуляции. Кроме того, направление потока определяется относительно штанги, которая в свою очередь требует ручной ориентации, и положение которой не фиксируется в сигналах измерителя. В приборе используется сложная система электродов, к качеству изготовления которых предъявляются высокие требования. Также необходимы дополнительные аппаратные и вычислительные затраты на обработку сигналов.
Известно устройство для определения направления и скорости водных потоков (п. США №2688250), выбранное в качестве прототипа. Устройство состоит из последовательно соединенных блока записи и обработки информации, приемного блока и измерительного блока. Измерительный блок представляет собой герметичный корпус, включающий датчик скорости течения в виде вертушки и аналоговую систему обработки и передачи сигналов, содержащую датчик отклонения от направления магнитного поля в виде магнитного компаса. Измерительный блок оборудован узлом подвеса, закрепленным на жестком носителе и обеспечивающим вращение измерительного блока вокруг вертикальной оси, а также снабжен лопастями для ориентации корпуса по течению и уравновешивающим поплавком с регулировочным грузом. Приемный и измерительный блоки связаны между собой посредством кабельной линии, закрепленной на жестком носителе. Передача питания, команд и сигналов между измерительным и приемным блоками реализуется по кабельной линии через узел подвеса с использованием механических контактов. Связь между блоком записи и обработки информации и приемным блоком осуществляется по радиоканалу.
Система передачи и обработки сигналов известного устройства использует фотоэлектрическую схему для получения электрического сигнала, содержащего информацию о скорости течения и угле между магнитным севером и корпусом устройства, ориентированным по направлению течения.
Однако прототип не способен измерять вертикальную составляющую течения и не учитывает ошибку, вносимую в получаемый сигнал ориентации по горизонтали, за счет крена корпуса измерительного блока. В прототипе также не учитывается ошибка ориентации по горизонтали, возникающая при крене корпуса измерительного блока из-за магнитного наклонения (наличия в магнитном поле Земли вертикальной составляющей).
Кроме того, использование аналоговой системы обработки и передачи сигналов снижает точность измерений параметров течения в зависимости от качества каналов передачи сигнала, поскольку получаемый сигнал подвержен шумам и искажениям в процессе его передачи. Система обработки сигнала содержит в себе механические части, которые требуют тщательной подстройки и постоянного контроля. Устройство конструктивно сложно, имеет большие габариты и вес.
Задача изобретения состоит в повышении надежности, точности, и достоверности получаемой информации, расширении функциональных возможностей прибора, а также в уменьшении его габаритов и веса, повышении удобства эксплуатации.
Поставленная задача решается устройством для определения скорости и направления течения жидкости, содержащим последовательно соединенные измерительный блок, приемный блок и блок записи и обработки информации, при этом измерительный блок выполнен в виде герметичного корпуса с лопастями, уравновешивающим поплавком с регулировочным грузом, датчиком скорости и узлом подвеса, герметичный корпус снабжен цифровой системой обработки и передачи сигналов, содержащей датчик отклонения от вертикали, выполненный в виде двухосевого инклинометра, и датчик отклонения от направления магнитного поля в виде трехосевого электронного компаса, а узел подвеса, закрепленный на снабженном кабельной линией жестком носителе, выполнен с возможностью вращения измерительного блока вокруг вертикальной оси и качания вокруг горизонтальной оси.
Заявляемое устройство за счет узла подвеса, позволяющего осуществлять не только вращения вокруг вертикальной, но и качания вокруг горизонтальной осей, а также наличия датчика отклонения от направления магнитного поля в виде трехосевого электронного компаса и дополнительно датчика отклонения от вертикали, способно, в отличие от прототипа, самоориентироваться в водном потоке по азимуту и углу места, измерять и учитывать вертикальную составляющую течения при определении скорости и направления течения жидкости, что значительно повышает достоверность и точность получаемой информации, расширяет функциональные возможности устройства.
Измерение положения корпуса измерительного блока производится непосредственно относительно магнитного и гравитационного полей в точке расположения заявляемого устройства.
Надежность и точность получаемых с измерительного блока информационных данных повышается также за счет выполнения системы обработки и передачи сигналов цифровой, так как качество передаваемых сигналов становится независимым от используемого канала передачи данных.
Заявляемое изобретение может быть использовано для более глубокого и детального изучения процессов в водном слое, так как дает непосредственную информацию о перемещениях водных масс, обеспечивает измерение как горизонтальных, так и вертикальных составляющих скорости течения, в том числе параметров приливных течений и орбитального движения частиц воды во внутренних волнах, а также смещение водных масс в приповерхностном слое под воздействием поверхностных волн, что также позволяет расширить функциональные возможности заявляемого устройства.
Устройство отличается компактностью, имеет небольшие размеры и вес, удобно в эксплуатации.
На чертеже представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство состоит из 1 - измерительного блока, где 2 - герметичный корпус, 3 - датчик скорости течения, 4 - система обработки и передачи сигналов, 5 - управляющий микроконтроллер, 6 - датчики ориентации, 7 - узел подвеса, 8 - жесткий носитель, 9 - уравновешивающий поплавок, 10 - регулировочный груз, 11 - лопасти, 12 - кабельная линия; 13 - приемный блок и 14 - блок записи и обработки информации.
Узел подвеса (7) должен обеспечивать свободное вращение измерительного блока (1) вокруг вертикальной оси и качание вокруг горизонтальной оси и может быть выполнен, например, с использованием карданного подвеса и системы трансформаторов. Карданный подвес механически обеспечивает возможность самоориентации заявляемого устройства по потоку по двум пространственным координатам (по 2-м осям), а система трансформаторов, размещенная в узле подвеса (7), обеспечивает передачу питания, команд и сигналов между измерительным (1) и приемным (13) блоками. При этом обеспечивается гальваническая развязка между измерительным блоком (1) и кабельной линией (12), что снижает коррозию элементов измерительного (1) и приемного (13) блоков, также снижается чувствительность кабельной линии (12) к возможным внешним наводкам.
В качестве датчика (3) скорости, как и в прототипе, используют датчик, принцип работы которого основан на изменении сопротивления морской воды в зазоре датчика при прохождении через него лопасти «вертушки», например описанный на сайте http://mkrs.by.ru.
Система (4) обработки и передачи сигналов, обеспечивающая работу устройства, выполнена на базе управляющего микроконтроллера (5) и включает плату электроники с установленными электронными схемами, а также датчики ориентации: датчик отклонения от вертикали и датчик отклонения от направления магнитного поля в виде трехосевого электронного компаса (6).
В качестве датчика отклонения от вертикали может быть применен двухосевой инклинометр, например, SCA100T-D02 производства VTI Technologies, обеспечивающий точность измерения углов отклонения от вертикали 0,2° в диапазоне температур 0…+60°С. Для измерения углов отклонения от вектора магнитного поля используют трехосевой электронный магнитный компас, выполненный, например, в виде пары компасных модулей Honeywell HMC 6352, обеспечивающих точность измерения 2,5°.
Все датчики (6) ориентации размещают в корпусе (2) измерительного блока (1) неподвижно по отношению друг к другу и корпусу. Положение корпуса и датчиков измеряется непосредственно относительно магнитного и гравитационного полей в точке измерения.
Кабельная линия (12) представляет собой витую пару, например, из полевого телефонного кабеля и обеспечивает передачу питания и команд и сигналов между приемным (13) и измерительным (1) блоками.
Приемный блок (13) обеспечивает прием-передачу сигналов и питания по двухпроводной линии через узел подвеса измерительного блока (1), а также выдачу сигналов блоку записи и обработки информации (14) и выполнен с использованием микроконтроллера и периферийных схем.
Блок записи и обработки информации (14) регистрирует результаты измерений.
В качестве блока записи и обработки информации (14) используют бортовую ЭВМ, например плату пром. компьютера формата PC 104 «Прометеус».
Устройство работает следующим образом:
Набегающий поток жидкости ориентирует корпус (2) измерительного блока (1) по течению. Поскольку корпус (2) измерительного блока (1) ориентируется по потоку жидкости по всем трем пространственным координатам, то есть вертушка датчика (3) скорости течения ориентирована строго по набегающему потоку жидкости, частота импульсов датчика (3) скорости течения пропорциональна модулю скорости независимо от направления потока.
Частота вращения вертушки датчика (3) скорости течения и соответственно частота импульсов датчика (3) скорости течения зависит от скорости набегающего потока. Эти импульсы поступают на один из входов управляющего микроконтроллера (5) системы (4) обработки и передачи сигналов. Микроконтроллер (5) подсчитывает количество импульсов датчика (3) скорости течения за период опроса и производит опрос датчиков ориентации (6) системы (4) обработки и передачи сигналов с заданной периодичностью (периодом опроса). Собранную за период опроса информацию в цифровом виде передают по кабельной линии (12) на приемный блок (13) и далее на блок записи и обработки информации (14).
Таким образом, совокупность существенных признаков предложенного устройства позволяет получить заявляемый технический результат - повышение надежности, точности и достоверности получаемой информации, расширение функциональных возможностей прибора, а также уменьшение его габаритов, веса и повышение удобства эксплуатации.