Магнитогидродинамический способ измерения неоднородностей морских течений и устройство для его реализации
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ои741218 (61) Дополнительное к авт, саид-ву (22) Заявлено 080677 (21) 2497054/18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет
Опубликовано 1506.80.Бюллетень № 22
Дата опубликования описания 150680 (51)М. Кл.2
G 01 V 3/06
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 550. 837 (088, 8) (72) Авторы изобретения
E. Ф. Зимин, Э. С. Кочанов и В, Д . Ларионов (71) Заявитель (54 ) МАГН ИТОГ ИДРОДИНАМИЧЕСК ИЙ С ПО ОБ ИЗМЕРЕН ИЯ НЕОДН ОРОДНОС ТЕЙ
МОРСКИХ ТЕЧЕНИЙ И УСТРОЙС TBQ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
Изобретение относится к области измерения неоднородностей морских течений, преимущественно к технике океанографических измерений, и может быть использовано для исследова-, ния короткопериодичной естественной турбулентности Океана.
Известен ряд способов исследования турбулентных течений, среди которых для капельных жидкостей наиболее пригодны методы, основанные на визуализации течения, метод термоанемометра и метод, основанный на принципе электромагнитной индукции 15 (1) и (2) .
Первые иэ них малопригодны для использования в открытом море и используются, в основном, при исследованиях в лабораторных каналах, тру- 20 бопроводах и бассейнах. Кроме того, они вообще не позволяют регистрировать спектральные характеристики мелкомасштабной турбулентности.
Наиболее распространенным прибором для исследования турбулентности остается термоанемометр, устанавливаемый на подвижном носителе (корабль, гондола и т. и.), который профилирует турбулентную область с постоянной скоростью (3).
ОДнако дальнейшему распространении термоанемометрических методов препятствуют присущие им недостатки: нелинейная зависимость переноса тепла от скорости и температуры; сложность аппаратурного оформления; зависимость разрешающей способности от постоянной времени нагретой пленки; чувствительность пленки к отложениям и ударам микрочастиц, иэ-эа чего изменяются параметры пленки и требуется ее зачистка и новая тарировка и т. д.
Более привлекательны методы исследования неоднородностей турбулентных течений, основанные на принципе электромагнитной индукции, или магнитогидродинамические методы, свободные от недостатков, перечисленных выше (2) .
Эти способы измерений и устройства с успехом используются для определения средних относительных скоростей потока жидкости. Использование их для исследования турбулентной структуры потока затруднительно и практически нево741218 зможно при натурных исследованиях в море.
Из известных магнитогидродинамических способов и устройств наиболее близким по технической сущности является магнитогидродинамический способ измерения неоднородностей среды, в котором измеряют электрическое поле, создаваемое морскими течениями и скорость течений. Электрическое поле измеряют двумя электродами, расстояния между которыми последовательно увеличивают, а о величине неоднородностей судят по величине измеренного сигнала и размерам измерительной установки (4) .
Однако, существующий .способ не может использоваться для регистрации неоднородноотей турбулентных пульсаций скорости ввиду того, что он рассчитан на выделение стационарных неоднородностей. Дополнительно можно отметить недостатки, присущие аппаратурному оформлению. Зто, прежде всего, низкая точность и,чувствительность для целого ряда исследовательских задач. Полоса пропускания измерительного канала устройств выбирается для всего интервала исследуемых масштабов or минимального до максимального. Поэтому внешняя помеха и внутренние шумы канала интегрируются на всей широкой полосе, хотя полезный сигнал для каждого конкретного пересечения турбулентной области лежит в априорно неизвестном, но более узком интервале частот. Применяемый последующий спектральный (корреляционный) анализ занимает много времени и весьма трудоемок.
Цель изобретения — разработка способа измерения неоднородностей морских течений, обладающего повышенной точностью и простотой измерений,а также устройства для его реализации.
Поставленная цель достигается тЕм, что одновременно измеряют разность потенциалов в точках, расположенных на фиксированных расстояниях и ориентированных по двум направлениям, которые пересекаются под углом 1 (54-135)о к полному век.тору магнитного поля Земли, Далее по скорости перемещения V точек наблюдения определяют масштабы турбулентности, соответствующие каждой из частот К = —, а по амплитуде
v напряжения судят о модуле вектора завихренности Q., ортогонального вектору напряженности магнитного п ол Земли . ОИ)
Я:=, ad 2.
® (О ) О 1 где с, — константа координат пересечения данного потока; проекция вектора магнитной индукции на плоскость, пер-, пендикулярную измерительной базе;
Ро- размер измерительной базы.
Другое отличие состоит в том, что для обеспечения равной предель ной чувствительности и разрешающей способности для широкого интервала масштабов турбулентности от Ро,„ „ о „>„ выбирают коэффициент уве личения размера измерительной базы Y, в пределах от 1,2 .до 4 и устанавливают первую точку наблюдения на расстоянии ГА = p о п > от нулевой, а последнюю — б„= — „,„,„„
Все промежуточные точки наблюдения устанавливают на расстояниях 1д-, в К раз больших, чем предыдущие
< -. и °
Разности потенциалов измеряют в
15 полосе частот от —.(— — до ч V еХТ4 ) „ (4+1к,, ) Гц . Частотные искажения при этом исключают умножением измеряемого сигнала на э (А Поставленная цель достигается 20 также тем, что устройство для измерения неоднородностей морских течений состоит из ряда измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), полосовой полуоктавный и корректирующий фильтры и регистратор. В устройство включены также датчики магнитного поля Земли, ориентированные параллельно измерительным базам многоэлектродных датчиков. Для решения поставленной задачи пары измерительных датчиков расположены симметрично диаметральной плоскости носителя по линиям, пересекающим ее в точке установки нулевого электрода под углом +45o причем, первая пара отстоит от нулевого электрода на расстояние Вс,- =Ii-3 2)3 1„.1;д, а все последующие — на расстояние вдвое 4(j большее, чем предыдущие. Полосовые фильтры характеризуются частотами ч 1Н=,, „,,„,. и 1 = и н, корректирующий фильтр имеет характеристику ((Х вЂ „, -f )) . Каналы разделены на два ряда — коммутируемый некоммутируемый. Сигнальные входы последнего подключены к симметричным парам измерительных датчиков, а входы АРУ этих каналов соединены параллельно и через формирователь управляющего напряжения и сумматор подключеньР к датчикам магнитной индукции.у коммутируемого ряда каналов одна из сигнальных лент соединена с нулевым электродом,а вторая — через переключаю5з щий ключ к одной из входных клемм некоммутируемых каналов.Все управляющие входы АРУ этого ряда каналов также соединены параллельно и через второй формирователь управляющего напряжения що и дополнительный переключающий ключ подключены к датчикам магнитной индукции . Все ключи коммутатора имеют общую цепь управления, подключенную к выходу компаратора через третий 65 формирователь управляющего напряже741218 ния, а входы компаратора подключены к датчикам магнитной индукции. На носителе может быть установлен дополнительный датчик относительной скорости, который подключают к цепям управления регулируемых полосо5 вых и корректирующих фильтров всех каналов. Таким образом, основой способа и устройства для его осуществления является регистрация электрической составляющей электромагнитного поля вмороженного в вихревую структуру турбулентного потока, Причем электромагнитное поле индуцируется в турбулентном потоке не за счет магнитного поля искусственного маг.нита, а под действием однородного магнитного поля Земли, В развитом турбулентном потоке существуют пространственно-временные области, практически однородные, изотронные и стацио- Щ нарные. Турбулентность внутри таких областей имеет одинаковую структуру, а ее статистические характеристики не зависят от направления .и времени . Поэтому поле случайных скоростей изот- 5 ронной области сколь угодно точно (в статистическом смысле) представляется конечной суммой некоррелированных волн различной длины (масштаба) со случайными амплитудами и фазами, Для каждой из этих пространственных гармоник, соответствующих потоку с постоянной периодичностью, можно найти решение уравнения Пуассона, оп. ределяющего потенциал индуцированного З электрического поля: BQ < Ht 2K 2R Ч = - — Ь cos — х Coo — У cos — 2 (} гя о Qo где 8 — модуль напряженности магнитно го поля Земли, ортогональный вектору завихренности турбулентного поля скоростей Я; о- масштаб турбулентности; Х У,Z — текущие координаты. При-пересечении турбулентного потока датчиком с размером измерительной базы К, - по определенной траектории со скоростью Н,для напряжения на электродах датчика на основании (1) будем иметь: ХЕо. гтсч (2) U =BB Q с .Ып — cos — 1 о р где с ;.— константа для заданной траектории пересечения турбулентной области, величина которой зависит от 55 ориентации измерительной базы датчика относительно вектора . Причем ok=4 при ориентации Р б. параллельно вектору В . Для устранения слепых пересечений измерительная база датчика должна ориентироваться под углом + (45 — 135) к вектору В . При угле, равном 90, значение А максимально. Исключение слепых масштабов, при которых з и (ЛР6/Р )=о, достигаетс я использованием многоэлектродного датчика с различными Рб . Иэ (2) следует, что частота наблюдаемого сигнала прямо пропорциональна скорости пересечения турбулентной области и обратно пропорциональна масштабу регистрируемой турбулентности: 1и) Ч (3) 2х Qо Таким образом, по частоте регистрируемых сигналов определяется масштаб турбулентности I (4) а при известном масштабе и амплитуде напряжения на каждой частоте можно судить о модуле вектора завихренности, ортогонального вектору магнитной ин0 (5) Как уже отмечалось, для регистрации спектра завихренности используется датчик, с каждого из измеритецьных электродов которого сигнал подают на измерительный канал. Для сохранения предельной чувствительности и разрешающей способности желательно в каждом канале иметь одинаковый уровень шумов. Известно, что в области низких частот шумы электронных схем имеют распределение типа)/ поэтому уровень шума пропорционален отношению полосы пропускания к час- тоте сигнала, т. е. требование пос,тоянства уровня шумов в каналах сво дится к требованию: af;/f = const (6) Для выполнения условия (6) необходимо соблюдать определенные соотношения между размерами измерительных баз многоэлектродного датчика. Пусть интервал интересующих масштабов турбулентности заключен в пределах: оп ах=" о 0 " = опчу (.7) Из (2) следует, что оптимальный размер базы датчика определяется из условия зЖ(Л доп /Po) = 1, откуда - р„, допт g (" /> где m = 0,1,2... (8) Требование (8) для интервала масштабов (7) можно выполнить при использовании датчика с периодически и плавно изменяющимися размерами базы, Однако, такая конструкция настолько сложна, что становится невозможным ее практическое использование в натурных условиях. Возможен и другой путь. Если из-за рассогласования датчика допустить уменьшение амплитуды сигнала (2) на малую величину а- т. е. п = (г-4= -), у,г-, (9) о то датчик, близкий к оптимальному, будет содержать конечное число изме" рительных электродов. При Д = " 0274121Ь 0,5 из (9) для угла рассогласования входы которых подключены к датчикам датчика и коэффици и коэффициента увеличения размера измерительных баз соответ- ля управляющи напряжени ственно следует: д= д.= Я - о,г — 27 а также коммутатор 28 с цепью 29 I + 2. « с управления и переключающими контакК= тами 30 . П и этом число измерительных электро- В зависимости от ориентации носидов (каналов) и размеры измеритель- теля по отношению к вектору магнитных баз будут равны: ной индукции поля Земли, будет из> — Ро с (10) меняться соотношение между его проекВп (Romax / Roman) -h глас Mv, 4 Е min циями на направление измерительных (11) баз датчика 9 и 10. Абсолютное знаК о тсох чение этих проекций регистрируется о К+4 датчиками 15 и 14 соответственно, Задав И =3,2 или =4 из (11) для подключенных ко входам сумматора 23 интеРвала (7), тРебУемые РазмеРы и компаратора 24. Сигнал на выходе измеРи ельных баз УДУ : Ро4 — — 237 см 15 с атора будет пропорциона ен проексумма ции вектора магнитной индукции поля Каждый из. каналов пРи этом бУд Зе и на ось носителя. Компаратор 24 предназначен для регистрации турбуопределяет больший из сигналов с лентности с масштабами от датчиков 14 и 15 и через Формирова о,; .= ю ота ; ) с (12) 20 тель 27 подает сигнал на цепь 29 откуда в соответствии с (3) граничные управления коммутатора, к о а 28 который полосы пропускания подключает входы коммутируемого ряк- да каналов 17 к измерительным электро Rornn " 9-А () дам, расположенным на измерительно огни; Легко проверить, что (13) с уче- базе с меньшей проекциеи вектоРа 6 том (12) отвечает условию (6) . На фиг. 2 переключающие ключи 30 комВ рассматриваемом примере полосы мутатора 28 р 8 изоб ажены в положении, прозрачности каждого канала при ско- когда сигна r. д л . атчиком 14 превышает Рости пересечениЯ ) = 10 узлов бу- и „ал с атчика 15. Коэффициенты дут Равны: де4 = (0,5-1,6) Гц; д f =. 30 усиления усилителей 18 устанавливаются (1 6 5 1) Гц д Й = (5, 1-16, 5) Гц; автоматически за счет цепей АРУ так, hf = (16, 5-53) Гц. что ы з чтобы независимо от абсолютного зна4 к чения проекции вектора В на направДлЯ Удобства использованиЯ Резуль- ения, перпендикулярные линиям, соетатов измерений желательно иметь диняющим измерительные электроды коэффициент преобразования постоянным каждого из каналов, выходные н р 35 нап яжения силителей соответствовали ..для всех частот-масштабов. Это обес- жени У я ем и фиксированному значепечивается введением корректирующе- настоящему ф ниям модуля В . Таким образом, знаго множителя. о ля вектора завихренности, На фиг. 1 схематически представлено чение модуля вектора зав определенное по (5), будет соответ— расположение многоэлектродного датствовать не фак фактическому изменяющемуI чика и датчиков магнитной индукции ся от пересечен ечения к пересечению, модулю на носителе; на фиг. 2 — блок-схема вектора, а и В остоянной величине, устройства, осуществляющего способ одинаковой для все и сех каналов. Это 4> обеспечи ает сопо тавимост р зультурбулентного течения. татов измерений. Коэффициент увелиносите е 1 установлен мно очения размера изм электродный датчик, пары измеритель3 4 и 5 РассматРиваемого Ус стройства K=V2, ных электродов которого 2 и 3, и 6.и 7 Расположены симметрично по От ничные полосы полоссвых ношению к диаметральной плоскости и характеристику корректиру сщ о е.тиру сщего по линиям 9 и 10, пересекающим эту + о фильтра . Ри ус 21. Я тановке на носитеплоскость под углом 45 в точке усле датчика относительно и скорости тановки нулевого электрода 11. На можно обеспечить упра правление характеносителе укреплены и датчики 12 и 13 ин к ии оси 14 и 15 чув — Зз Ристиками фильтро в 20 и 2), что исключает погрешность за счет неравномерствительности которых параллельны ности движения носителя. линиям 10 и 9 соответственно. Регистрирующие каналы разделены на два ряда 16 и 17, в каждом из формула изобретения которых находится равное число кана- 60 силителей 18 с 1. Магнитогидродинамический сполов, состоящих из усилителей с но одностей морвходами 19 АРУ лосовых фильтров 20, соб измерения неоднородносте морпо на изме екти их ильтров 21 и регистра- ских течений, основанный р тенциалов электрического пото ов 22, Кроме того, устройство со- нии поте торов . Ром 24 6у ля, индуцированного морскими течедержит сумматор 23 и компаратор 741218 10 ниями в магнитном поле Земли, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения измерений, одновременно измеряют разность потенциалов в точках, расположенных на фиксированных расстояниях и ориентированных по двум направлениям, которые пересекаются под углом Ф(45-135) к полному вектоо ру магнитного поля Земли, и по частоте сигнала f и скорости перемеще- iÎ ния точек наблюдения V опрецеляют масштаб турбулентности о =, а по аМплитуде снгнала судят о модуле вектора завихренности u (<> сл ъ 9. s n(at Q /Q ) 15 где А- константа, определяющая взаимную ориентацию скорости морского течения, точки измерения и магнитного поля Земли; 2О B — проекция вектора магнитной индукции на плоскость, перпендикулярную измерительной базе РД 2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что при регистрации масштабов неоднородностей от „„;„ до Ро „ выбирают первую точку измерения на расстоянии 9,= â€,„ „,„;„ от к .нулевой, последнюю точку — на расстоя-g() нии a - =— tq 1с2 до 4. 3. Способ по и. 2, о т л и ч а юшийся тем, что измеряют разности потенциалов в полосе частот ч (1 — К ),<„, „1 (Ги), а частотное искажение йсключают умножением измеряемого сигнала íà (sin (at + )) 4. Устройство для реализации способа по пп. 1, 2 и 3, состоящее из ряда измерительных каналов, каждый из которых включает последовательно соединенные два датчика, усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ),полосовой полуоктавный и корректирующий фильтры и регистратор, а также датчиков магнитного поля Зем- 50 ли,- ориентированных параллельно измерительным базам многоэлектродного датчика, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что пары измерительных датчиков расположены симметрично диаметральной плоскости носителя по линиям, пересекающим ее в точке установки нулевого электрода под углом + 45о, причем, первая пара отстоит от нулевого электрода . на расстояние д„ =(2 — 1Г2)(,t ai„,а все последующие на расстояние, вдвое большее, чем предыдущие, дополнительно введен коммутируемый ряд измерительных каналов, сигнальные входы ряда измерительных каналов подключены к симметричным парам измерительных датчиков, а управляющие входы АРУ включены параллельно и через формировагель управляющего напряжения и сумматор подключены к датчикам магнитного поля, у коммутируемого ряда измерительных каналов одна иэ сигнальных клемм соединена с нулевым электродом, а вторая через переключающий ключ с одной из входных клемм ряда измерительных каналов, а все управляющие входы АРУ также включены параллельно и через второй формирователь и дополнительный переключающий ключ. подключены к датчикам магнитного поля, все ключи имеют общую цепь управления, подключенную через третий формирователь к выходу компаратора, входы которого соединены с датчикаМи магнитного поля. Источники информации,,,принятые во внимание при экспертизе 1. Лоуренс Л. Электроника в океанографии, М., Воениздат, 1969, с. 211 — 217. 2. Кфимцев В. Н. и др. Измерение солености, скорости и направления морских течений, скорости распространения звука в морской воде, сер . Океанология, Обнинск, 1977, с ° 8 — 24. 3. Шули А. Электронная аппаратура в океанографии, Л., Гидрометеоиздат, 1967, с. 27 — 32. 4. Авторское свидетельство СССР по заявке Р 2444602/18-25, кл. G 01 V 3/00, 19.01.77 (прототип).
