Прибор для измерения течений

ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕЧЕНИЙ, содержащий узел азимутальной ориентации, два расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и защищенных кольцами лопастных винта с горизонтальными осями вращения, один из которых реверсивен, а второй нереверсивен, контактное устройство, руль, образованный пластинами, с которыми скреплены защитные кольца, осевое сечение которого совпадает с осью нереверсивного лопастного винта, регистратор, диск, кинематически связанный с нереверсивным лопастным винтом, вдоль диаметра которого установлены оси, на которых посажены кинематически связанные с реверсивным лопастным винтом, установленным в передней части руля, два диска, выходные оси которых при помощи контактных устройств связаны с регистратором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, узел азимутальной ориентации измерителя выполнен в виде нереверсивного лопастного винта с вертикальной осью вращения, проходящей через точку подвеса прибора, двух осветителей, один из которых установлен на корпусе прибора, а другой на оси нереверсивного лопастного винта с вертикальной осью вращения, двух фотоприемников и двух световых модуляторов, один из которых кинематически связан с нереверсивным лопастным винтом с вертикальной осью вращения, а второй с нереверсивным лопастным винтом с горизонтальной осью вращения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к гидрометрическим приборам.
Известен прибор для измерения течений, содержащий компасное устройство, два расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях защищенных кольцами лопастных винта, один из которых реверсивен, и контактное устройство, установленное в герметичном корпусе.
Его недостатками являются сложность конструкции и низкая точность измерений.
Эти недостатки частично устранены в приборе для измерения течений, содержащем магнитное компасное устройство, для расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и защищенных кольцами лопастных винта с горизонтальными осями вращения, один из которых реверсивен, контактное устройство, руль, образованный пластинами, с которыми скреплено защитное кольцо, причем осевое сечение руля совпадает с осью нереверсивного лопастного винта, регистратор, два диска, кинематически связанных с нереверсивным лопастным винтом, вдоль диаметров которых установлены оси, на которые посажены два дополнительных диска, кинематически связанных с реверсивным лопастным винтом, установленным в передней части руля, и связанные посредством механических дифференциалов с первыми двумя дисками, при этом выходные оси дифференциалов при помощи контактных устройств связаны с регистратором.
Недостатком прибора является низкая точность измерений в условиях сильных волнений, существенно влияющих на работу магнитного компасного устройства.
Целью изобретения является повышение точности измерений.
Указанная цель достигается тем, что в известном приборе для измерения течений узел азимутальной ориентации измерителя выполнен в виде нереверсивного лопастного винта с вертикальной осью вращения, проходящей через точку подвеса прибора, двух осветителей, один из которых установлен на корпусе прибора, а другой на оси нереверсивного лопастного винта с вертикальной осью вращения, двух фотоприемников и двух световых модуляторов, один из которых кинематически связан с нереверсивным лопастным винтом с вертикальной осью вращения, а второй с нереверсивным лопастным винтом с горизонтальной осью вращения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведена конструктивная схема прибора для измерения течений.
Измеритель течений содержит лопастной винт 1, установленный на оси 2, кинематически связанной с диском 3, с которым фрикционно связаны диски 4 и 5, имеющие, например, квадратный вырез в центре, в который входят направляющие оси 6 и 7, установленные вдоль диаметра диска 3. Штифты 8 и 9 шестерен 10 и 11, кинематически связанных с реверсивным лопастным винтом 12, максимально удаленным от точки подвеса прибора, установленным перпендикулярно осевому сечению лопастного винта 1, входят в пазы обойм 13 и 14 дисков 4 и 5.
Лопастный винт 12 установлен в самой узкой части защитного раструба 15, поперечные сечения которого представляют эллипсы с эксцентриситетами, изменяющимися до нуля в узкой части раструба 15, и малыми осями, равными диаметру узкой части раструба.
С осевым сечением лопастного винта 1 совпадает осевое сечение руля, образованного пластинами 16 и 17, которые в горизонтальной плоскости создают угол, обращенный вершиной навстречу измеряемому потоку, и являющимися рамой прибора. Нереверсивный датчик 18 скорости потока с вертикальной осью вращения, совпадающей с точкой подвеса прибора, и лопастной винт 1 кинематически связанны соответственно со световыми модуляторами 19 и 20, а диски 4 и 5 со световыми модуляторами 21 и 22, представляющими собой отражатели, установленные в пазах и имеющие в вертикальной плоскости свободу перемещения, ограниченную сверху ограничителями, удерживающими модуляторы в нижнем положении, исключающем попадание отражаемого или светового потока от осветителя 23 на фотоприемники. Снизу они имеют сносы, соприкасаясь с которыми штоки 24 и 25, на которых установлены модуляторы и шток 26, установленный в диаметральной плоскости измерителя, приподнимают их и при этом световой поток от осветителя посредством модуляторов 19 и 20 поступает на фотоприемники 27 и 28. При вращении дисков 4 и 5 световые модуляторы 21 и 22 направляют световой поток от осветителя 23 на фотоприемники 29 и 30. Фотоприемники 27, 28 имеют цилиндрическую форму и установлены в прозрачном герметичном корпусе, также как и осветитель 23 и фотоприемники 29 и 30.
Фотоприемники 27, 28, 29 и 30 связаны с регистратором, содержащим самописец для фиксации электрических импульсов и суммирующие реверсивные устройства.
Измеритель течений работает следующим образом.
Поток, воздействуя на лопастной винт 1, приводит во вращение его и кинематически с ним связанный диск 3, с которым фрикционно связаны диски 4 и 5.
Перед началом измерений диски 4 и 5 устанавливаются в определенное положение, например, диск 4 на край диска 3, а диск 5 на середину радиуса диска 3 (если крайние положения дисков 4 и 5 совпадают с краем диска 3 и его центром).
Положение диаметральной плоскости измерителя течений в этот момент определяют независимым способом, например, по гирокомпасу.
При повороте измерителя вокруг точки подвеса лопастной винт 12 приходит во вращение, шестерни 10 и 11, кинематически связанные с лопастным винтом 12, также придут во вращение и с помощью штифтов 8 и 9 сместят диски 4 и 5, скорость вращения которых изменится пропорционально синусу для одного и косинусу для другого угла поворота руля вокруг точки подвеса прибора, даже при неизменной скорости вращения лопастного винта 1. Поскольку крайние положения дисков 4 и 5 меняются в пределах от центра диска 3 до его края, направление их вращения не меняется. Если принять скорость вращения на середине радиуса диска 3 равной скорости потока V, угол разворота прибора относительно исходного (измеренного) направления равны , то скорость вращения дисков 4 и 5 будет меняться в пределах от 0 до 2 V, т.е. как в случае суммирования составляющих с модулем скорости потока посредством механических дифференциалов (как это выполняется в прототипе). Таким образом, внецентренная установка шестерен 10 и 11 (относительно диска 3) позволяет устранить реверсивность вращения осей 6 и 7 без применения механических дифференциалов. Поскольку смещение дисков 4 и 5 осуществляется только в пределах одного радиуса, они могут быть установлены по диаметру одного диска 3 и необходимость в наличии второго аналогичного диска отпадает. Максимальное удаление лопастного винта 12 от точки подвеса и размещение его в суженном сечении раструба заметно повышает его чувствительность.
Скорости вращения дисков 4 и 5, фиксируются с помощью фотоприемников 29 и 30 соответственно, которые связаны с регистратором. Например, диск 4 при вращении его направляющей оси 6 периодически приподнимает отражатель 21 по вертикальным пазам на высоту, при которой свет от осветителя 23 попадает на фотоприемник 29. При этом формируется электрический импульс, фиксируемый в регистраторе, количе- ство которых и определяет величину V + +V_cos . Аналогично взаимодействуют диск 5, ось 7, отражатель 22, осветитель 23 и фотоприемник 30.
Таким образом, диски 3, 4 и 5 являются пересчетными схемами и блоками осреднения, позволяющими разложить вектор на составляющие и осреднить их за некоторый отрезок времени.
Для контроля направления в фиксированные моменты времени в предлагаемом измерителе вместо компасного устройства используется запоминающее устройство в виде развертывающего устройства, связанного с корпусом прибора, дополненное развертывающим устройством, не связанным с корпусом прибора, в виде нереверсивного датчика скорости 18, свободно посаженного на вертикальную ось, совпадающую с точкой подвеса прибора.
Развертывающее устройство в виде штока 24, кинематически связанного с лопастным винтом 1, вращаясь, формирует электрические импульсы в момент пересечения диаметральной плоскости прибора (при соприкосновении скоса модулятора 19 со штоком 26, установленным в диаметральной плоскости прибора). Если бы направление течения не менялось, то этот момент соответствовал бы измеренному по гирокомпасу направлению. Поскольку в общем случае прибор разворачивается на некоторый угол, необходимо этот угол измерить. Для измерения угла используется нереверсивный датчик 18, свободно посаженный на вертикальной оси вращения. В момент пересечения диаметральной плоскости прибора (при соприкосновении скоса модулятора 20 со штоком 26, установленным в диаметральной плоскости прибора) фотоприемником 27 будет сформирован электрический импульс. Поскольку в момент измерения направления перед измерениям штоки 24, 25 и 26 совмещены и угол между ними равен нулю, промежуток времени между моментами пересечения диаметральной плоскости двумя развертывающими устройствами (штоками 24 и 25) является мерой угла разворота прибора от исходного направления (измеренного). Если бы скорости вращения лопастного винта 1 и нереверсивного датчика 18 были одинаковыми, можно было бы ограничиваться фиксацией только этих двух моментов. Однако в общем случае этискорости могут быть и неодинаковыми (например, в результате различной изнашиваемости опор вращения в процессе эксплуатации). Поэтому дополнительно фиксируется момент совмещения штоков 24 и 25, причем с целью учащения этих моментов, направления вращения штоков 24 и 25 противоположны. По трем импульсам можно определить угол разворота прибора от исходного направления, а следовательно, и направление течения.
Зная время, в течение которого шток 24 совершает полный оборот, легко определить угол между положениями этого штока 24 в моменты совмещения штоков 24 и 25 и совмещения этих штоков со штоком 26 (пересечения диаметральной плоскости прибора).
В зависимости от взаимодействия импульсов, просуммировав или вычтя полученные углы, определим направление течения
К_теч К_исх. + (W)₂₄ + W₂₅) t₁ + W₂₅ t₂, где К_теч. направление течения;
К_исх. исходное (измеренное в начальный момент) направление диаметральной плоскости прибора;
W₂₄ и W₂₅ угловые скорости штоков 24 и 25;
t₁ промежуток времени между моментами совмещения штоков 24 и 25 и моментом пересечения штоком 24 диаметральной плоскости прибора (штока 26);
t₂ промежуток времени между моментами пересечения диаметральной плоскости прибора (штока 26) штоками 24 и 25.
По интервалу времени между двумя последовательными пересечениями диаметральной плоскости штоком 25, кинематически связанным с лопастным винтом 1, можно судить о скорости потока. По поступающим в регистратор импульсам формируемым с помощью фотоприемников 27, 28, 29 и 30, и формируемым в нем с помощью храповых механизмов или аналогичных устройств, получаем последовательности импульсов, функционально связанных с V, V +V_cos и V + V_sin Посредством механических дифференциалов вычисляем V_cos и V_sin т.е. продольную и поперечную составляющие течения относительно исходного направления.