Ультразвуковой измеритель трех компонент вектора скорости потока

 

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТРЕХ КОМПОНЕНТ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий три пары обратимых электроакустических преобра-, зователей, подключенньк через коммутатор к передатчику и приемнику , выходы которых подключены к входам преобразователя типа вре менной интервал-цифровая величина, синхронизатор, два вычислительных устройства, устройство ввода кода баз.ового расстояния и регистрирующий прибор, отличающий . с я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в него дополнительно введены блок деления, множительное устройство, блок памяти, два вычитающих устройства, два переключателя и устройство ввода кода временной задержки сигнала, причем вход блока деления соединен с выходом второго вычислительного устройства , а выход его подключен к первому входу множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода базового расстояния, а выход подключен параллельно к входу блока памяти и к первому входу первого вычитающего устройства, соответственно выход блока памяти соединен с вторым входом первого вычитающего устройства, (/) выход которого соединен с входом первого переключателя, первьтй выход которого подключен к первому входу второго переключателя, а второй выход первого переключателя соединен с первым входом второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода временной задержки сигнала, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом второго переключателя , выход которого соединей с первым входом первого вычислительного устройства, причем управляющие входы блока памяти , первого и второго переключателей соединены с выходом синхронизатора.

(I9) (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4()) G 01 P 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

l10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3661508/24-10 (22) 14.11.83 (46) 30.04.85. Бюл. № )6 (72) А.В.Ра.гаускас, В.Г.Данилов и Г.А.Даубарис (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (53) 533.607(088.8) (56) 1. Патент ФРГ № 2947318 кл. G 01 P 5/00, опублик. 1979.

2. Авторское свидетельство СССР № 481837, кл. G 0) Р 5/00, 1975.

3. Варлатый Е.П., Тихомиров. В.П.

Трехкомпонентный акустический измеритель скорости движения. Тезисы докладов первой Всесоюзной конференции по исследованию и освоению ресурсов Мирового океана, Владивосток, 1976, с. 89-92 (прототип). (54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ, ТРЕХ КОМПОНЕНТ ВЕКТОРА СКОРОСТИ

ПОТОКА, содержащий три пары обратимых электроакустических преобра-, зователей, подключенных через коммутатор к передатчику и приемнику, выходы которых подключены к входам преобразователя типа вре менной интервал-.цифровая величина, синхронизатор, два вычислительных устройства, устройство ввода кода базового расстояния и регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ и й. с я тем, что, с целью увеличения точности измерения, в него дополнительно введены блок деления, множительное устройство, блок памяти, два вычитающих устройства, два переключателя и устройство ввода кода временной задержки сигнала, причем вход блока деления соединен с выходом второго вычислительного устройства, а выход его подключен к первому входу множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода базового расстояния, а выход подключен параллельно к входу блока памяти и к первому входу первого вычитающего устройства, соответственно выход блока памяти соединен с вторым входом первого вычитающего устройства,выход которого соединен с входом первого переключателя, первый выход которого подключен к первому входу второго переключателя, а второй выход первого переключателя соединен с первым входом второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода временной задержки сигнала, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом второго переключателя, выход которого соединен с первым входом первого вычислительного устройства, причем управляющие входы блока памяти первого и второго переключателей соединены с выходом синхронизатора, 1153295

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее три пары обратимых электроакустическйх преобразователей, подключенных

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения компонент вектора скорости движения потока и координат движущихся потоков. 5

Известен ультразвуковой измеритель скорости движения погока, содержащий электроакустические преобразователи, антенный коммутатор, передатчик, приемник и блок обработ- 10 ки измерительной информации j1) ..

Недостатком данного устройства является отсутствие воэможности компенсировать изменяющуюся во времени временную задержку распространения 15 сигнала в злектроакустическом тракте, электрических цепях, линиях связи и связанную с этой задержкой инструментальной погрешностью измерейий.

Известен ультразвуковой измери- 20 тель трех компонент вектора скорости потока, содержащий восемь приемных электроакустических преобразователей, один излучающий электроакустический преобразователь, передатчик, 25 приемник, блок обработки измерительной информации f2) .

Однако известное устройство обладает ограниченной точностью, так как при измерениях скорости движения по- З0 тока не учитывается изменение во времени временной задержки распространения сигнала в электроакустическом тракте, электрических цепях н линиях связи, не производится автоматическая коррекция погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультразвуковой измеритель трех компонент вектора скорости потока, со- 40 держащий три пары обратимых злектроакустических преобразователей, антенный коммутатор, синхронизатор, передатчик, приемник и блоки обработки измерительнои информации Pj ° 45

Однако устройство не позволяет измерять с высокой точностью трех компонент вектора скорости движения потока, так как при измерениях не учитывается временная задержка сигнала в электроакустнческом тракте, электрических цепях и линиях связи.

Цель изобретения — увеличение точности измерения. через коммутатор к передатчику и приемнику, выходы которых подключены к входам преобразователя типа временной интервал — цифровая величина, синхронизатор, два вычислительных устройства, устройство ввода кода базового расстояния и регистрирующий прибор, дополнительно введены блок деления, множительное устройство, блок памяти, два вычитающих устройства, два переключателя и устройство ввода кода временной задержки сигнала, причем вход блока деления соединен с выходом второго вычислительного устройства, а выход его подключен к первому входу множительного устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода базового расстояния, а выход подключен параллельно к входу блока памяти и к первому входу первого вычитающего уст— ройства, соответственно выход блока памяти соединен с вторым входом первого вычитающего устройства, выход которого соединен с входом первого переключателя, первый выход которого подключен к первому входу второго переключателя, а второй выход первого переключателя соединен с первым входом второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом устройства ввода кода временной задержки сигнала, выход второго вычитающего устройства соединен с вторым входом второго переключателя, выход которого соединен с первым входом первого вычислительного устройства, причем управляющие входы блока памяти, первого и второго переключателей соединены с выходом синхронизатора.

На чертеже представлена блок-схема ультразвукового измерителя трех компонент вектора скорости потока.

Ультразвуковой измеритель трех компонент вектора скорости потока содержит шесть обратимых электроакустических преобразователей 1-6, коммутатор 7, передатчик 8, приемник 9, преобразователь 1О типа временной интервал-цифровая величина, синхронизатор 11, первое вычислительное устройство !2, второе вычислительное устройство !3, устройство !4 ввода кода базового расстояния, блок 15 деления, множительное устройство 16, блок 17 памяти, первое вычитающее устройство 18, пер1153295 вый переключатель 19, второе вычитающее устройство 20, устройство 21 ввода кода временной задержки сигнала, второй переключатель 22, регистрирующий прибор 23. 5

Три пары электроакустических преобразователей 1, 2, 3, 4 и 5, 6 установлены перпендикулярно между собой, причем все они через комму- !0 татор 7 подсоединены к передатчику ..

8 и приемнику 9. Выходы передатчика

8 и приемника 9 соответственнр подсоединены к первому и второму входам преобразователя 10 типа временной интервал-цифровая величина, выход которого параллельно соединен с первым входом второго вычислительного устройства 13 и вторым входом первого вычислительного устройства 12, вы20 ход которого соединен с входом регистрирующего прибора 23. Выход второго вычислительного устройства 13 соединен через блок 15 деления с первым входом множительного устройства 16, 25 второй вход которого параллельно соединен с выходом устройства 14 ввода кода базового расстояния, вторым входом второго вычислительного устройства 13 н третьим входом первого вычислительного устройства 12.

Выход множительного устройства 16 подключен параплельно к входу блока

17 памяти и к первому входу первого вычитающего устройства 18, а выход блока !7 памяти соединен с вторым 35 входом"первого вычитающего устройства 18, выход которого соединен с входом первого переключателя 19, первый выход которого подключен к первому входу второго переключателя 40

22. Второй выход первого переключателя 19 соединен с первым входом второго вычитающего устройства 20, второй .вход которого соединен с выходом устройства 2! ввода кода вре- 45 менной задержки сигнала. Выход второго вычитающего устройства 20 соединен с вторым входом второго переключателя 22, выход которого соеди.нен с первым входом первого вычис- 50 лительного устройства 12, Управляющие входы передатчика 8, коммутатора

7, первого !2 н второго 13 вычислительных устройств, первого 19 и второго 22 переключателей, блока 17 па- 55 мяти и регистрирующего прибора 23 соединены с выходом синхронизатора ll, где d базовое расстояние между парами электроакустических преобразователей 1 и 2;

3 и 4, 5 и 6; скорость ультразвука в исследуемом потоке; паразитная временная задержка распространения акустического импульса в линиях связи и электрических цепях канала Х. и

"л—

Время прохождения акустического, импульса против направления потока в канале"Х ойределяется выражение!4

d л р а +в<, м -Ч„+с

Устройство работает следующим ° об. разом.

Обратимые .электроакустические преобразователи 1 и 2 служат для измерения компоненты вектора скорости потока V =V cosa, где V — модуль вектора скорости потока; К вЂ” угол между траекторией акустического им- . пульса в канале Х и вектора V.

Обратимые электроакустические преобразователи 3 и 4 служат для измерения компоненты вектора скорости потока Ч =V cos P, где P — угол между траекторией акустического импульса в канале У и вектора V.

Обратимые электроакустические преобразователи 5 и 6 служат для измерения компоненты вектора скорости потока Vg =V cosg, где It — угол между траекторией акустического импульса в канале 2 и вектора V.

В первом такте i-го цикла измерения поток зондируется акустическими импульсами, йзлучаемыми электроакустическими преобразователями 1 и

2 по направлению и против направления потока. Зондирующие импульсы от передатчика 8 через коммутатор г

7 поступают на электроакустический преобразователь 1 или 2 соответственно. Принятые электроакустическими преобразователями 2 или 1 зондирующие импульсы через коммутатор

7, поступают на вход приемника 9.

Работой передатчика 8 и коммутатора 7 управляет синхронизатор 1!. При этом время прохождения акустичеСкого импульса по направлению потока в канале Х определяется выражением

1153295

На преобразователь 10 типа временной интервал-цифровая величина опорный импульс подается с выхода передатчика 8, а измерительный — с выхода приемника 9, В преобразователе 10 типа временной интервал— цифровая величина время tä„ и преобразуется в цифровые величины

Мв„, H t 8x 11 8». На вход первого вычитающего устройства 18 с выхода блока 17 памяти поступает цифровая величина l/сх (i- l ), вычисленная блоками 15 и 16 и ваписанная в блок 17 за время (i-l)-ro цикла измерения. Вычисление цифровой величины k /сх(i-1) за время (i-1)-го цикла измерения осуществляется аналогично, как и за время

1. †то цикла измерения.

Измеренное значение скорости ультразвука — цифровая величина сх в канале Х эа время i-го цикла измерения вычисляется вторым вычислительным устройством 13 согласно выражению

15

K К с ° = +

x 1 где K — цифровая величина, пропорциональная половине базового расстояния.

Цифровая величина сх; преобразуется в обратную цифровую величину

l/с„ блоком 15 деления и умножа1 ется на цифровую величину 1 множи; тельным устройством 16. Первым вычи35 тающим устройством 18 вычисляется цифровая величина i x;, пропорциональная изменяющейся систематической составляющей временной задержки рас40 пространения сигнала между (i-1)-и и i-м циклами измерения, как разность между содержимым блока 17 памяти и выходной цифровой величиной множительного устройства 16.

45 и К К 1 с х c„(i-1)

После определения цифровой величины gc. в блок 17 памяти вместо циф"«1

S0 ровой величины K/c„(i 1) записывается цифровая величина К/с„; . л

Далее цифровая величина Z c x „ ч ерез первый переключатель 19 поступает на первый вход второго вычитающего устройства 20, которым опреде55 ляется поправка — цифровая величина Т для коррекции погрешности х измерения скорости потока за время

i-го цикла измерения в канале Х

Цифровая величина определяется выражением 1 х = (Т- a"„; ) - с „, Х1

N6,— ò х7

) /

К

Ох ТХ1 и на этом заканчивается первый такт

i-ro цикла измерения.

Во втором такте i-го цикла измерення выход вычитающего устройства

18 через переключатели 19 и .22 соединен с первым входом первого вычислительного устройства 12. Одновременно поток зондируется акустическими импульсами, излучаемыми по направлению и против направления потока электроакустическими преобразователями 3 и 4. При этом время прохождения акустического импульса по направлению потока в канале у определяется

d n

+ 6ь

Ч где Ч вЂ” временная задержка распространения акустического импульса в электроакустическом тракте, электрических цепях и линиях связи канала У.

Против направления потока в том же канале имеем д — + ) и ьЧ сV 3

Ч

Блоком 10 величины „и „преобразуются в цифровые величины

N > -t„„; „, tg .

Измеренное значение скорости ультразвука — цифровая величина с, в канале У за время i-ro цикла измерения вычиспяетсн вторым вычислительным устройством 13 выражением с, = + —, К

N01 116« где Т вЂ” цифровая величина, пропорциональная постоянной систематической составляющей временной задержки распространения сигнала.

Цифровая величина Т выдается устройством ввода кода временной задержки сигнала 21.

Цифровая величина V пропорциональная компоненте Vx вектора скорости потока VÄ; Vx, вычисляется первым вычислительным устройством 12 выражением

1153?95.В блоке 15 деления цифровая величина с, преобразуется н обратную цифровую величину 1/с и умножа<1» ется на цифровую величину k множительным устройством 16. Первым вычитаюшим устройством 18 определяется поправка — цифровая величина Т, для коррекции погрешности измерения скорости потока за время

i-го цикла измерения в канале У.

10 к к

Т =(— . )

cxi c3%

1 цифровая величина V », пропорциональная компоненту V<1 вектоРа скорости потока Ч<1; V<1, вычисляется первым вычислительным устрой-., ством 12 выражением и на этом заканчивается второй такт

i-го цикла измерения.

В третьем такте i-го цикла измерения поток эондируется акустическими импульсами, излученными электроакустическими преобразователями

5 и 6. При этом время прохождения акустического импульса по направлениВ потока в канале определяется выражением

30

Блоком 1О величины,„ и tgzr

1»14 ; а N „. С6

Йзмеренное значение скорости ультразвука, — цифровая величина с . н канале Z эа время i-го цикла измерения вычисляется вторым вычислительным устройством 13 выражением и где <.7 — временная задержка распространения акустического 35 импульса в электроакустическом тракте, электрических цепях и линиях связи канала Z.

Против направления потока

+ л

tS =, V

< с1 с +

11 Ng

Блоком 15 деления цифровая величина с. преобразуется в обратную цифровую величину 1/с и умножаетХ1 ся на цифровую величину К множительным устройством 16. Первым вычи. тающим устройством 18 определяется поправка — цифровая величина Т

Х» для коррекции погрешности измерения скорости потока за время i-го цикла измерения в канале Z.

Т =(— )л<, и с„с

)(< Х» цифровая величина Ч,, пропорциональная компоненте UX вектора скорости потока VX, VX, вычисляется первым вычислительным устройством

12 выражением

К

Т 1»1 Т >

<<2< X< 67i

Предложенное устройство по сравнению с известным позволяет увеличить точность измерения трех компонент вектора скорости потока. Увеличение точности достигается тем, что в каждом цикле измерения осуществляется автоматическая коррекция погрешности измерения путем компенсации не только постоянной составляющей, но и изменяющейся во времени составляющей систематической погрешности устройства, вызванной нестабильностью во времени временной задержки распространения сигнала в электроакустическом тракте, электрических цепях и линиях связи.

Использование предложенного ультразвукового измерителя трех компонент вектора скорости потока наиболее полезно при построении высокоточных быстродействующих телеизмерителей, предназначенных для автоматизированных систем управления транспортируемыми подводными аппаратами и тралами глубоководного лова рыбы.

115329

Составитель 10.Мручко

Техред Л.Микеш

Корректор И.Эрдейи

Редактор H.Воловик

Фитиап П11П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 2500/38 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ осударственного комитета СССР по делам изобретений и oTKphltHA

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5