Устройство для измерения вихревого компонента скорости потока

 

(72) Авторы изобретения

В.Д. Погребенник и А.П. Крышев

1-. --.

\

Ь физико-механический институт орд на Ленина

АН Украинской ССР им. Г.В. Кар

I

1

1 (71) Заявитель. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВИХРЕВОГО

КОМПОНЕНТА СКОРОСТИ ПОТОКА

z гой„ч — — (+ б ) где rot„v

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вихревого компонента скорости потока.

Известно устройство для измерения вихревого компонента скорости потока жидкости, содержащее систему тел, обтекаемых потоком, выполненную в виде пар одинаково. ориентированных тел, связанных с осью, проходящей через центр пары, и узел измерения. силового воздействия, выполненный в виде измерителя вращающегося момен" та (1) .

Известно устройство; которое содержит импульсный генератор, каждый из двух выходов которого через усилитель мощности и коммутатор подключен к одному из двух акустических преобразователей, расположенных в одной вершине многоугольника, в остальных вершинах которого расположены отражатели, выход каждого акустического преобразователя через коммутатор и последовательно соединенные приемный усилитель и амплитудный детектор подключен к одному из двух нормализаторов уровня, выход второго нормализатора уровня соединен с входом блока задержки, блок управления, подключенный к входу импульсного генератора и к управляющим входам коммутатора, нуль-орган, первый и второй триггеры, одновибратор,первый и второй ключи.

Выходной сигнал описывается выражением среднее значение вихревого компонента скорости потока; скорость звука в жидкости площадь многоугольного контура;

3 924578 4 т — временной сдвиг между двумя принятыми сигналами;

1 — время задержки между

1 принятыми сигналами.

В известном устройстве принято, что скорость звука является,постоянной, что на практике не всегда выполняется (21.

Устройство обладает недостаточной 10 точностью вследствие влияния на результат измерения скорости звука, которая для воды может изменяться в пределах (1400-1600 м/с).

Цель изобретения — повышение точности измерения вихревого компонента скорости потока за счет учета влияния скорости звука на результат измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения вихревого компонента скорости потока введены вычитающее устройство, третий триггер, источник опорного напряжения, первый, второй, третий и четвертый интеграторы, блок задания начальных условий, схема сравнения и временной демодулятор, причем выходы первого нормализатора уровня и блока задержки соединены с входами еычитающего устройства, выход которого через нуль-орган подключен к точке соединения нулевого входа первого триггера, управляющего входа второго ключа и единичных входов второго и третьего триггеров, выход блока управления соединен с единичным входом первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам первого ключа и бло40 ка задания начальных условий, первый выход источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый интегратор, первый ключ,второй и третий интеграторы соединен с первым входом схеМы сравнения,второй вход которой подключен к выходу четвертого интегратора, а выход к нулевому входу третьего триггера, выход которого соединен с входом временного демодулятора, второй выход источника опорного напряжения через блок задания начальных условий подключен к управляющему входу четвер-. того интегратора, другой вход которо- >> го через второй ключ соединен с выходом вычитающего устройства, а нулевой выход первого триггера подклюг

10йп V 75 г2 7 (Z) величина, пропорциональная среднему значению вихревого компонента скорости потока с учетом скорости звука в жидкости.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг.2 временные диаграммы работы устройства. где —

Т2

Устройство содержит отражатели

1, образующие вершины многоугольника, акустические преобразователи

2 и 3, размещенные в одной из вершин многоугольника, блок 4 управления, коммутатор 5, приемные усилители 6 и 7, усилители 8 и 9 мощности, амплитудные детекторы 10 и 11, импульсный генератор 12, первый 13 и второй 14 нормализаторы уровня, блок 15 задержки, вычитающее устройство 16, нуль-орган 17, первый триггер 18, источник 19 опорного напряжения, первый интегратор 20, первый ключ 21, одновибратор 22, второй интегратор 23, второй триггер 24, третий интегратор 25, схему 26 сравнения, четвертый интегратор 27, блок 28 задания начальных условий, третий триггер 29, второй ключ 30 и временной демодулятор 31;

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутатор

5 разомкнут, триггеры 18 и 29 находятся в нулевом состоянии, триггер 24 — в, единичном, ключи 21 и 30 разомкнуты. чен к управляющему входу первого интегратора к входу одновибратора и к нулевому входу второго триггера, при этом выходы одновибратора и второго триггера соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего интеграторов.

Наряду с измерением разности времени прохождения акустическими сигналами заданного контура дополнительно измеряется время Т прохождения акустического сигнала по периметру

L многоугольника, зависящее от скорости звука в жидкости (так как

С = 1/Т), и осуществляется функциональное преобразование в соответствии с выражением

924578

В момент времени t, по команде блока 4 управления (фиг.2 ) запускается импульсный генератор 12 (фиг.26), замыкаются каналы коммутатора 5, связанные с блоками 8 и

9, а триггер 18 устанавливается в единичное состояние (фиг.20). Импульс заданной длительности и частоты, сформированный генератором

12, после усиления по мощности при помощи усилителей 8 и 9 через коммутатор 5 подается на акустические .преобразователи 2 и 3, расположенные в одной вершине многоугольника.

Преобразователи 2 и 3 излучают 15 два акустических импульса, которые, отражаясь от блоков 1, проходят по периметру многоугольника.

В момент времени tl интегратор.

27 переводится в режим задания на- го чальных условий, которые устанавливаются при помощи блока 28 (фиг.2а), а триггер 24 перебрасывается в нулевое состояние (фиг.2п), благодаря чему в интеграторе 25 задаются нуле- 25 вые начальные условия интегрирования (фиг.2c). Интеграторы 20 и 23 переводятся в режим интегрирования (фиг.2 к,л). Управление интегратором

23 производится одновибратором 22 эв (фиг.2,к), который запускается сигналом с выхода триггера 18 в момент в емени t . Выходной сигнал триггера

P 1 °

18, кроме того, в момент времени t замыкает ключ 21, подавая на вход интегратора 23 выходное напряжение с интегратора 20. Выходное напряжение интегратора 23 начинает изменяться с момента времени t, по закону 40 где

Un, (t) t () U„(t) L rl2 текущее напряжение на входе интегратора 20; опорный уровень источника 19, подаваемый на вход интегратора; постоянная времени интег$5 ратора 20; постоянная времени интегРатора 23. гAB T = t2 tl °

В момент времени t2, кроме того, производится замыкание ключа 30 выходным сигналом нуль-органа 17,благодаря чему на вход интегратора

27 подается выходное напряжение вычитающего устройства 16.

П2

t где Ь и, (4) = - - Оп=,,—

В момент времени t2 и (t2 + ) акустические сигналы, прошедшие заданный контур, поступают на блоки 2 и 3 и через коммутатор 5 проходят на приемные усилители 6 и 7 (после окончания импульса излучения блок 4 управления размыкает каналы коммутатора 5, связанные с блоками 8 и 9, и замыкает каналы, связанные с блоками 6 и 7) .

В дальнейшем каждый из сигналов, следующих по одному из двух каналов, подвергается амплитудному детектированию при помощи блоков 10 и 11 и нормализации по уровню с помощью блоков 13 и 14 (выходные сигналы блоков 13 и 14 показаны графически на фиг. 2 6,e ) . В результате текущее значение выходного напряжения вычитающего устройства 16 равно (фиг.2е) 1 вч() = Р1(<) — цг(- ">)) (4) - - коэффициент передачи вычитающего устройства 16;

111 (1) — выходной сигнал нормализатора 13 (фиг.2 8) °

U t- Т ) — выходной сигнал нор2 мализатора 14,сдвинутый по времени на.отрезок 7> при помощи блока 15 задержки (фиг. 2 д ) .

Эпюра выходного напряжения нульоргана 17 показана на Фиг.2 мс. Выходной сигнал нуль-органа 17 переводит передним фронтом триггер 18 в нулевое состояние, в результате ключ 21 размыкается, интегратор 23 переводится в режим памяти (фиг. 2 л ) .

В соответствии с формулой (3) в момент времени t выходное напряжение интегратора 23 равно

) = ц - — „ 1— = U,„—. (5)

2 тг

И2 ОП

924578 8 нетрудно получить, что при этом отрезок времени (t -t ) равен

Дн,(t ) й4 йз U (t) тнз (1О) 1

Ьид(сз) = — J Use(t )Д + 1ну, (6)

ЕИ4 где Uq - напряжение начальных условий интегратора 27, устанавливаемых на отрезке времени (t2-t,) при помощи блока 28, причем

I 1ну = 1 ну Uon °

Вых ям (4 3) (12) 3S

В момент времени t>,триггеры 24 и 29 переводятся задним фронтом выходного импульса нуль-органа 17 в единичное состояние (фиг.2 н,р). В

Результате интегратор 25, управляемый триггером 24, переводится в режим интегрирования (фиг.2 с ), причем на его выходе образуется напряжение, текущее значение которого изменяется по закону т. U 1н

4 т-н4 ти ти т)) ).)о ич Uon

Т Т

= К вЂ” ", (t3) где

В момент времени ts ключ 30 размыкается, а интегратор 27 переходит в режим памяти (фиг.2 3 ), причем на его выходе поддерживается напряжение, равное где Кну - коэффициент передачи блока 28

Up)) — опорное напряжение блока l

Практически форма выходных сигналов нормализаторов 13 и 14 уровня может быть сделана весьма близкой к трапециидальной (фиг.2 д,2 ), в результате на выходе вычитающего устройства 16 импульс также имеет трапециидальную форму. Учитывая вышесказанное, после подстановки выражения (4) в равенство (6) получаем.Ug„(t>) = — "=+- Up + 13 ну, (8) нч где Uo - уровень ограничения нормализаторов 13 и 14.

Схема 26 сравнения производит компарирование текущего напряжения (8) с постоянным уровнем на выходе интегратора,27, описываемым выражением (6) . В момент времени tq указанные напряжения становятся равными. Из выражения Цц (tq) = U«z(t>) Подставив соотношения (Я и (8) в выражение (10), получим

Триггер 29, переведенный в единичное состояние в момент времени t возвращается в нулевое состояние положительным импульсом схемы 26 сравнения в момент времени tq. Таким образом, на единичном выходе триггера 29 образуются широтно модулированные импульсы длительностью (t4-t ), описываемой равенством (11) .

2S В момент окончания импульса одновибратора 22 устройство приходит в исходное состояние. В дальнейшем описанный процесс измерения периодически повторяется.

Зо На выходе демодулятора 31 формируется постоянное напряжение, пропорциональное длительности выходных импульсов триггера 29 где Кдм — коэффициент преобразования 31 демодулятора.

Подставив выражение (11) в соот о ношение (12), нетрудно убедиться, что при выполнении условия выхоДное напряжение предлагаемого устройства равно

Кдм и) ")) и Up / и ) )о)1

2 3

Таким образом, выходное напряжение временного демодулятора 31 про9245 порционально среднему значению вихревого компонента скорости потока

КЕ оtrl V

2S Т2 (14) 15

Формула изобретения

Устройство для измерения вихревого компонента скорости потока, содержащее импульсный генератор, каждый из двух выходов которого через усилитель мощности и коммутатор подключен к одному из двух акустических преобразователей, расположенных в одной вершине многоугольника, в остальных вершинах которого расположены отражатели, выход каждого акустического преобразователя через коммутатор и последовательно соединенные приемный усилитель и амплитудный детектор подключен к одному из двух нормализаторов уровня, выход второго нормалиэатора уровня соединен с входом блока задержки, блок управления, подключенный к входу импульсного генератора и к управляющим входам коммутатора, нуль-орган, первый и второй триггеры, одновибратор,первый и второй ключи, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены вычитающее устройство, третий триггер, источник опорного напряжения, первый, второй, третий и четвертый интеграторы, блок задания начальных условий, схема го

25 зо

4о

Положительный эффект устройства заключается в повышении точности измерения эа счет измерения времени

Т прохождения акустического сигнала 10 по периметру контура L, которое пропорционально скорости звука в водной среде.

78 10 сравнения и временной демодулятор, причем выходы первого нормализато" ра уровня и блока задержки соединены с входами вычитающего устройства, выход которого через нульорган подключен к точке соединения нулевого входа первого триггера, управляющего входа второго ключа и единичных входов второго и третьего триггеров, .выход блока

1 управления соединен с единичным входом первого триггера, единичный выход которого подключен к управляющим входам первого ключа и блока задания начальных условий, первый выход источника опорного напряжения через последовательно соединенные первый интегратор, первый ключ, второй и третий интеграторы соединен с первым входом схемы сравнения, второй вход которой подключен к выходу четвертого интегратора, а выход — к нулевому входу третьего триггера, выход которого соединен с входом временного демодулятора, второй выход источника опорного напряжения через блок задания начальных условий подключен к управляющему входу четвертого интегратора, другой вход которого через второй ключ соединен с выходом вычитающего устройства, а нулевой выход первого триггера подключен к управляющему входу первого интегратора, к входу одновибратора и к нулевому входу второго триггера, при этом выходы одновибратора и второго триггера соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего интеграторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

11 438933, кл. G 01 P 5/00, 1974.

2. Авторское свидетельство по заявке Ю 2781376/18-10, кл. G 01 P 5/00, 1979 (прототип).

924578

Vo ï

gr3

Редактор C. Юско

Заказ 2806/60

М и дум

>z(H г

Г

Ь нс

Х иц

3 иг оа м

//тг

Составитель М. Хаустов

Техред А. Бабинец Корректор М. Пожо

Тираж 883 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4