Измеритель флуктуаций скорости течения

 

. Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть применено в зондирующих , буйковых и буксируемых комплексах , используемых при проведении гидрофизических исследований, для получения данных о структуре поля скорости в океане. Цель изобретения - повышение помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала. Дпя этого устройство содержит датчик 1 флуктуации скорости, корпус 2, измеритель 4 углов крена, рану 3, дифферент 5, азимут 6, три однотипных блока вычисления взаимных статтескнк характеристик, каждый из которых имеет по два входа, к которым подключены источники анализируемых сигналов, сумматор 9, анализатор 10, перестраиваемый низкочастотный фильтр 1. Перечисленные элементы соединены между собой определенным образом, что позволяет достичь цель изобретения. 2 ил. Q (5 (О С t

союз советсних социАлистичесних

РЕСПУБЛИН (19) (И) (51) 4 С 01 P 3/80 (3, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР по делАм изОБРетений и ОтнРытий (21) 3736097/24-10 (22) 03.04.84 (46) 07.03.86.Бюл. ¹ 9 (7l) Морской гидрофизический институт АН УССР (72) В.М,Кушнир и Ю.Н,Колтаков (53) 531 767(088.8) (56) Макланов Л.Ф., Снежинский В.А. и Чернов Б.С. Океанографические при-. боры. Л.:Гидрометеоиздат, 1975, с.250-257.

Авторское свидетельство СССР № 792144, кл. G 01 P 5/00, 1981. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ФЛУКТУАЦИИ СКОРОСТИ

ТЕЧЕНИЯ (57). Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть применено в зондирующих, буйковых и буксируемых комплексах, используемых при проведении гидрофизических исследований, для получения данных о структуре поля скорости в океане. Цель изобретения — повышение помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала. Для этого устройство содержит датчик 1 флуктуаций скорости, корпус 2, измеритель 4 углов крена, раму 3, дифферент 5, азимут 6, три однотипных блока 8(-8э вычисления взаимных статических характеристик, каждый из которых имеет по два входа, к которым подключены источники анали-, зируемых сигналов, сумматор 9, анализатор 10, перестраиваемый низкочастотный фильтр ll. Перечисленные элементы соединены между собой on ределенным образом, что позволяет достичь цель изобретения. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть применено в зондирующих, буйковых и буксируемых комплексах, используемых при проведении гидрафизических исследований, для полу— чения данных о струк" óðå поля скорости в океане.

Целью изобретения является повышение помехозащищеннасти при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала.

На фиг.I показан измеритель флуктуаций скорости течения; на фиг,2 — диаграммы, поясняющие работу анализатора, и вид частотной характеристики К перестраиваемого низкочастотного фильтра.

Измеритель содержит датчик 1 флуктуаций скорости, например акустического, электромагнитного или термоэлектрического типов, установленный в корпусе 2, внутри которого ня жесткой раме 3 смонтированы измерители углов крена 4, дифферента 5, например маятникового или феррозандоваго типов, и азимута 6, например компас или курсовой гидроскоп. Выход датчика 1 скорости соединен с входом измерительного преобразователя 7 скорости. В составе измерителя входят также три однотипных блока 8(— Яэ вычисления взаимных статистических характеристик, каждый из которых имеет по два входа, к которьи подключены источники анализиру— емых сигналов па одному выходу, сумматор 9 с тремя входами и одним выходом, анализатор 10 с одним входом и одним выходом, а также перестраиваемый низкочастотный фильтр 11 с двумя входами и одним выходом, К первому входу перестраиваемого фильтра ll подключается измеренный сигнал, к второму входу — сигнал, управляющий интервалом осреднения. Выход церестраиваемого фильтра 11 является выходом измерителя. Первые входы блоков 8, — Яэ вычисления взаимных статистических характеристик соединены между собой с выходом измерительного преобразователя 7 скорости и с входом перестраиваемога низкочастотного фильтра 11. Второй управляющий) вход этого фильтра сое— динен с вьгходом анализатора 10, вхац которого подключен к выходу сумма1тора 9, к трем входам которого подк ITfoч(Hbl с Оатв Рт (тВP Hн() ве11 холы б. !О ков 8< — 8 у вычисления взаимных статистических характеристик, с вторыми входами которых са(:линены соответственно выходы измерителей углов азимута 6, диф(рерента 5 и крена 4.

Влок вь числения в эянмных статистических характеристик представляет собой вь(числительное устройства, на входы которого подаются сигналы пуль. саций скорости течения v("- ) и одного из измеряемых углов, напри.«ер аэиму— тя К . В вычислителе производится расчеты спектров указанных величин, т.е. т v((1=J((I "5 _#_(о о т

M,® = „((t :I in 2г г):; а г, ((=1 (г(;.; гг(г г". ( о т ((, ((1 = J (. l sin a г f . г ". о гg) о - И)), автаспектра флуктуаций угля с, ()

Т (5) (6) и отношения

;Ä (f)=q,„(f) - 8(Г), (7)

Технически блок вычисления вэаимных статистических характерис-ик может быть выполнен, например, ня основе микропроцессорного комплекта о К 580, запрограммированного в соответствии с приведенными выше со— отношениями.

Сумматор 9 предста с абай цифровое или аналоговое арифметическое устройство, на вхадь. которого нодаются коды или сигна.ты, пропор— циональные вычисленным л:;я каждой анализируемой частоты ((вячениям соответствующих амл:!Hòó.n!b!õ;! Фяза— вых функций

A„(f! = -1э „(().((, ((,;

A„(f) = D ((!+.t ((г((г)

"-,(f) =агс В j- 1 (f -)П" (f)j

à =ar(.t8 — M (f ) D@(f ) (4)

35 оценок квадратурного н злим:- ого (пектра

Av(f) Aa(f) . ((, "1(4.

s in 1((т}

S„ (f) Б„ (f)" Sii (f). Иа выходе блока суммйрования ормируется код или сигнал, пропорциональный сумме указанных величин. Техническая реализация блока суммирования возможна, например, при помощи операционного усилителя при аналоговой форме обработки или, например, при помощи цифровых сумматоров.

В анализаторе 10 определяется частота fi, соответствующая максимальному значению суммарной спектральной характеристики S (f)

=S„ (f) +Sп (Г) +Бп,(Е). Для этого на вход анализатора последовательно подаются величины S (f,), S (f ), ...S (Й„), которые сравниваются между собой и меньшие значения отбра сываются. Таким образом, опреде— ляется наибольшая величина S (f„) во всем диапазоне анализируемых частот и соответствующая ей частота f

n °

На выходе анализатора формируется сигнал, пропорциональный частоте f . Техническая реализация анап лизатора 10 возможна при помощи микропроцессора при цифровой структуре либо при помощи операционного усилителя, на вход которого подается сигнал развертки S (f) для всего диапазона анализируемйх частот °

Этот сигнал сравнивается с фиксированными уровнями, величина которых после каждой развертки уменьшается.

При достижении верхним уровнем максимума на выходе операционного усилителя срабатывает нуль †орг, а интервал времени между началом развертки и срабатыванием нуль-органа пропорционален частоте f которая соответствует максимальному значению спектральной характеристики S (f).

Измеритель работает следующим образом.

Из-за отсутствия жесткого основания и большого числа различных возмущений, например качка судна, вибрация грузонесущего кабеля и крутильные колебания, которые в нем возникают под действием меняющегося натяжения, корпус измерителя совершает сложные движения, скорость которых v геометрически вычитается иэ измеряемой скорости течения.

Вследствие этого результирующий сигнал измерителя, равный

"О т п 2 (8) содержи-. шумовую составляющую и ис— кажается. Находящиеся в корпусе из— мерителя и устанавленные на общем

50 основании с датчиком скорости из5 мерителя крена, дифферента и азимута прибора реагируют на колебания корпуса прибора и, следовательно, сигналы которые формируется на их выходах взаимосвязаны со скоростью 11„

Составляющие флуктуаций переносной скорости ч „ относительно продольной и двух взаимно перпендикулярных поперечных осей связаны с сигналами измерителей крена Ж, дифферента и азимута следующими соотношениями

V„=R„ oc; v„=К p;vg=К 1Г, (9) где Rz „ — эквивалентные радиусы траекторий колебаний.

20 Фурье-преобразования этих соотношений имеют следующий вид

11" В п

=)ыК Г . (l 0)

Спектры указанных составляющих определяются путем умножения соот— ношений (10) на комплексно-сопряженные величины и последующет о статистического осреднения „V { я Й„А)(-yg В„Ь ), Ч„Ч„- { g сд Р,. 6) < х(-уютов 6 1, У„м„=(усей), Г)(-уи Ry Г ); (11)

С„„=(1 и j С-= 1в вв (12)

2 2

"vn + iг

Для определения радиусов R® ! 14 рассмотрим произведения Фурье-преобразования уравнения (8) на величину А

voA = vz А — v„A

Ф Ф- + (13)

40 v А определяет взаимный спектр колебаний угла К и скорости течения v вызванный гидродинамическим в взаимодействием колебаний скорости течения с корпусом

45 измерителя. Амплитуда колебаний угла <х равна ва=7рс d h G v ) (14) где v ч — средняя скорость течения и амплитуда пульсаций; плотность воды; с — коэффициент сопротивления;

d — диаметр;

G — вес корпуса.

Для реальных условий v=0,5 м/с, ч =0,05 м/с, р =1000 кг/м, с

5 2167

1,2, h=1 и, с!=0,2 м, G=-800 Н, амплитуда колебаний угла составляет О,! град,, что ниже уровня чувст— витепьности рабочих средств изме— рения угловых величин K,,j3 и

7":

Поэтому величина v А (и по анапо% т гии Б и г Г бпиэка к нулю и

7 т может не учитываться.

Соотношение!13) преобразуется к виду "-,о

-0O = ЯRхб, „(15I гце Π— квадратурный спектр флук04 туаций измерений скорос— ти и угла .

С учетом (12) и (! 5) находим, что 15 спектр сксрости колебаний корпуса измерителя относительно соответствующей оси равен (!6)

Суммарный спектр возмущений ра- 2б вен

На первые входы блоков (, — 8 вычисления подается сигнал с измерителя 7 скорости, содержащий как полезный сигнал, так и шумовую состав— ляющую, вызванную колебаниями корпу- са измерителя. В блоках 8, — 8 вычис9 пения производится вычисления спект-. ров шумовых составляющих С„ (f) ЗО ипк,д, по приведенному вьппе соотношейию (l7) с использованием сигналов соответствующих угловых колебаний Ж, которые подаются на вторые входы указанных блоков- При этом, если датчик 1 скорости течения компонентный, та взаимная обработка его сигнала и флуктуаций углов в трех плоскостях позволяет учесть влияние поперечных относительно оси датчика д(!

1 колебаний корпуса на зашумливание полезного сигнала . если измеряется модуль скорости течения — в блоках

8!- 8з расчитывается суммарный эффект. Prl

Б сумматоре 9 производится сложение спектров шума G „, соответствующих колебаниям корпуса измерителя в трех плоскостях, в результате чего на его выходе формиру- Sp ется сигнал, пропорциональный суммарному спектру шума Б (f).

Этот сигнал подается на вход анализатора 10, в котором для диапазона анализируемых частот спектра S<(f)gs определяется его наибольшее значеHNp. H соответствующая ему частота

Эта частота отвечает периоду Т„ наиболее энергосодержащих составпя— юших шума, присутствующего в попе ь— пом сигнале при конкретных уcJToBHHx измерения. С выхода анализатора 10 снимается сигнал, пропорпионапьный этой граничной частоте Г„, который пос тугает на управляющий нхоц пере— страиваемогс фильтра 11, полоса проэра .ности которого ограничивается .";ò.îé -.".ñòàòîé. При этом полоса прозрачности перестраиваемого фильтра

ll в любом случае соответствует частоте, на которой спектр шумов имеет максимальную величину и, спедова— тельно, шумовые составляющие измеренного сигнала эффективно отфильтровываются

При этом, с-.ëè измерения флуктуаций . корости течения производятся в штилевых условиях, например, вычисленный в блоках 8 1 в 8 и сумматоре 9 спектр шумов S (f) обусловлен кароткопериодными (короткими) ветровыми волнами ипи вибрацией троса, Этот спектр имеет максимумы в области относительно высоких частот.

Поэтому выделенная анализатором 10 час".îãà f имеет соответственна боль— шое значение и полоса прозрачности пересграиваемого фильтра ll максимальна. При изменении усповий иэмерения, например при появлении значительных ветровых волн ипи вибраций,,имеющих более низкие частоты, величина f на выходе анализатора п !

0 пропорционально уменьшается. При этом полоса прозрачности перестраиваемого фильтра 1! уменьшается так

) что колебания с частотой f отфильт-и ровываются и, следовательно, наиболее энергосодержащие составляющие шумов подавляются, Ьпагоцаря этому обеспечивается высокая помехоэащи— щеннос-.ü измерителя, соотве.тствую— щая в каждом конкретном случае условиям проведения измерения и спект— ральным характеристикам колебаний из— мсрителя.

Ф а р м у и а и з о б р е т е н и я

Измеритель флуктуаций скорости течения, содержащий цатчик скорости течения, установленный на корпусе и соединенный с измерительным преобразователем, а также измерители углов азимута, крена и дифферента, I2I6734 1I

Составитель l0.Мручко

Редактор Г. Волкова Техред О.Ващишина Корректор И.Зрдейи. Заказ lOIO/56 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности при сохранении широкой полосы частот измеряемого сигнала, в него дополнительно введены три вычислителя отношения квадрата квадратурного спектра скорости и угла к автоспектру угла, сумматор, анализатор экстремума спектра и перестраиваемый фильтр нижних частот, причем первые входы вычислителей отношений соединены между собой и подключены к выходу измерительного преобразователя скорости и входу перестраиваемого фильтра нижних частот, управляющий вход которого соединен с выходом анализатора экстремума спектра, вход которого подключен к выходу сумматора, входы которого соединены с .выходами вычислителей отношений, вторые входы

lð которых подключены к выходам измерителей углов азимута, крена и дифферента.