Устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде

 

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды. Задачей, решаемой изобретением, является создание устройства для обнаружения в морской среде турбулентных пятен с низким уровнем энергии турбулентности. Устройство содержит первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, идентичные первому преобразователю скорости в электрический сигнал, расположенные на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а также блок вычисления функции, входы которого с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, его выход соединен со входом полосового фильтра, а выход порогового блока является выходом устройства. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области исследования гидрофизических полей и может быть использовано при проведении экологических исследований, в экспериментальной гидродинамике, океанологии и других областях техники, где требуется вести контроль параметров турбулентной среды.

Для решения задачи обнаружения турбулентных пятен в морской среде необходимо иметь высокочувствительный преобразователь скорости в электрический сигнал. Одной из причин, препятствующих созданию устройств для обнаружения турбулентных пятен в морской среде, является чувствительность преобразователя скорости к паразитным сигналам, возникающим в результате вибраций и неравномерного движения преобразователя, установленного на подвижном носителе, например на буксируемой линии.

В результате проведенных патентно-информационных исследований аналогов предлагаемого изобретения не обнаружено.

Задачей, решаемой изобретением, является создание устройства для обнаружения в морской среде турбулентных пятен с низким уровнем энергии турбулентности.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде содержит первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, идентичные первому преобразователю скорости в электрический сигнал, расположенные на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а также блок вычисления функции где U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции, К - масштабный коэффициент, R₂ и R₃ - расстояния от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал соответственно, м, U₁, U₂ и U₃ - напряжения на первом, втором и третьем входах упомянутого блока определения функции соответственно, B, при этом входы упомянутого блока вычисления функции с первого по третий соединены с выходами преобразователей скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, его выход соединен со входом полосового фильтра, а выход порогового блока является выходом устройства.

В предлагаемом устройстве второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал могут быть расположены на равных расстояниях от первого преобразователя скорости в электрический сигнал.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 - функциональная схема устройства, на фиг. 2, 3 - схемы, поясняющие расположение преобразователей скорости в электрический сигнал.

На фиг. 1 обозначены: 1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал; 2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал; 3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал; 4 - блок вычисления функции (1); 5 - полосовой фильтр;
6 - квадратор;
7 - блок усреднения;
8 - пороговый блок;
9 - источник порогового сигнала.

На фиг. 2 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал;
R₂ и R₃ - расстояния от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал соответственно.

На фиг. 3 обозначены:
1 - первый преобразователь скорости в электрический сигнал;
2 - второй преобразователь скорости в электрический сигнал;
3 - третий преобразователь скорости в электрический сигнал.

В соответствии с фиг. 1 устройство содержит идентичные первый, второй и третий преобразователи 1, 2 и 3 скорости в электрический сигнал, выходы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 4 вычисления функции (1).

К выходу блока 4 вычисления функции (1) подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 5, квадратор 6, блок 7 усреднения и пороговый блок 8, второй вход которого соединен с источником 9 порогового сигнала, а выход является выходом устройства.

Преобразователи 1-3 скорости в электрический сигнал могут быть электромагнитного, термоанемометрического или иного другого известного типа.

Блок 4 вычисления функции (1) может быть выполнен, например, на операционных усилителях, реализующих функции суммирования и вычитания, или включать в свой состав многоканальный аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный вычислитель функции (1).

Полосу пропускания полосового фильтра 5 выбирают в зависимости от пространственного масштаба анализируемых турбулентных неоднородностей и скорости движения подвижного носителя. Для решения поставленной задачи используют преимущественно диапазон пространственных неоднородностей = (0,01-1,0) м. При фиксированной скорости V движения подвижного носителя этому диапазону соответствует диапазон рабочих частот f = f_minf_max. B частности, для = (0,01-1,0) м и V = 5 м/с f = (5-500) Гц. Если скорость подвижного носителя может изменяться, то верхнюю и нижнюю частоты диапазона рабочих частот выбирают, соответственно, из условий f_max = V_max/_min и f_min = V_min/_max. Например, диапазону рабочих скоростей носителя V = (2,5-10) м/с и упомянутому выше диапазону = (0,01-1,0) м соответствует полоса рабочих частот фильтра 5 f = (2,5-1000) Гц. Наилучшим вариантом выполнения фильтра 5 является его выполнение с возможностью ручной или автоматической перестройки полосы пропускания в зависимости от скорости движения носителя.

Время усреднения блока 7 выбирают, по меньшей мере, в 5-10 раз большим минимального периода колебаний на выходе полосового фильтра 5. Если полосовой фильтр 5 выполнен с перестройкой диапазона рабочих частот, то и блок 7 усреднения целесообразно выполнить с переменным временем усреднения, изменяющимся обратно пропорционально скорости движения подвижного носителя.

Источник 9 может иметь фиксированное значение порогового сигнала и переменное значение, которое может изменяться вручную или автоматически в зависимости от фоновых значений турбулентности или характера решаемых задач.

Блоки 5-9 могут быть аналоговыми или цифровыми, что не влияет на сущность изобретения. Схемы построения блоков 5-9 хорошо известны.

Преобразователи 2 и 3 скорости в электрический сигнал расположены на одной прямой с преобразователем 1 на расстояниях R₂ и R₃ от преобразователя 1 (фиг. 2). При этом прямая, на которой расположены преобразователи 1-3, может иметь в пространстве любое положение при условии сохранения работоспособности преобразователей 1-3. В частности, преобразователи 1-3 должны быть правильно ориентированы по отношению к направлению набегающего потока и не должны "затенять" друг друга.

Одним из оптимальных вариантов расположения преобразователей 1-3 по отношению к направлению потока является вариант, при котором преобразователи 1-3 расположены на прямой линии, перпендикулярной направлению набегающего потока (фиг. 3).

Наиболее простым и предпочтительным вариантом взаимного расположения преобразователей 1-3 является вариант, при котором выполняется условие R₂ = R₃, в этом случае выражение (1) упрощается:

Минимальные расстояния R₂ и R₃ выбирают из условия отсутствия влияния преобразователей 1-3 друг на друга и превышения минимального масштаба измеряемых турбулентных пульсаций скорости в несколько раз. Максимальные расстояния R₂ и R₃ ограничиваются конструктивными возможностями и условиями соблюдения конструктивной жесткости взаимного расположения преобразователей 1-3. Обычно расстояния R₂ и R₃ составляют (0,1-1,0) м.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Носитель, например буксируемая линия корабля экологического мониторинга, осуществляет перемещение в исследуемой среде жестко связанных преобразователей 1-3 скорости в электрический сигнал. Из выходного сигнала преобразователя 1 в блоке 4 происходит вычитание сигналов преобразователей 2 и 3 по формуле (1) или, в частном случае, по формуле (2). После обработки в блоке 4 сигнал, свободный от вибрационных помех, фильтруется, возводится в квадрат и усредняется блоками 5, 6, 7. Сигнал, пропорциональный энергии турбулентных пульсаций, поступает на первый вход порогового блока 8. Если энергия турбулентных пульсаций превышает заданный уровень, на выходе порогового блока 8 появляется сигнал, который свидетельствует о наличии турбулентного пятна в исследуемой морской среде.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обнаруживать в морской среде турбулентные пятна с низким уровнем энергии турбулентности за счет уменьшения влияния помех, обусловленных вибрациями и неравномерным движением носителя.

Представленное описание и чертежи позволяют, используя существующую элементную базу, изготовить предлагаемое устройство в производстве и использовать его в тех областях техники, где требуется определять параметры турбулентности, в том числе вести контроль состояния морской среды с подвижного носителя, что характеризует изобретение как промышленно применимое.

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения турбулентных пятен в морской среде, характеризующееся тем, что оно содержит первый преобразователь скорости в электрический сигнал, второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал, идентичные первому преобразователю скорости в электрический сигнал, расположенные на одной прямой линии с первым преобразователем скорости в электрический сигнал по обе стороны от первого преобразователя скорости в электрический сигнал, последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратор, блок усреднения и пороговый блок, второй вход которого соединен с источником порогового сигнала, а также блок вычисления функции

где U - сигнал на выходе упомянутого блока вычисления функции;
K - масштабный коэффициент;
R₂, R₃ - расстояние от первого преобразователя скорости в электрический сигнал до второго и третьего преобразователей скорости в электрический сигнал соответственно, м;
U₁, U₂, U₃ - напряжения на первом, втором и третьем входах упомянутого блока вычисления функции соответственно, В,
при этом входы упомянутого блока вычисления функции с первого по третий соединены с выходами преобразователя скорости в электрический сигнал с первого по третий соответственно, его выход соединен со входом полосового фильтра, а выход порогового блока является выходом устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй и третий преобразователи скорости в электрический сигнал расположены на равных расстояниях от первого преобразователя скорости в электрический сигнал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3