Способ измерения параметров скорости течения и устройство для его осуществления

нос пос тре ют КОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВ 797170/107,02.907.02.93, бюл. М 5пециальное конструкторско-технолокое бюро Морского гидрофизического тута АН УССР.П. Толстошеев, В.В. Холкин и М.Я,Даковторское свидетельство СССР 2084, кл. 6 01 Р 5/00, 1961, вторское свидетельство СССР 8936, кл, 6 01 Р 5/06, 1981. СПОСОб ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РОСТИ ТЕЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯспользование: измерительная техника гидрофизических исследований. Сущь изобретения: вращающийся элемент едовательно облучают как минимум я акустическими импульсами, приниматраженные акустические сигналы, при этом направление течения определяют путем сравнения длительности временных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, скорость течения опреК деляют как Ч =, где й - количествои Ь импульсов за время ти, ти - длительность цикла измерения; и - количество лопастей вращающегося элемента. Устройство содержит чувствительный элемент - импеллер 4, блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустического преобразователя 2, приемопередатчик 5, задающий генератор 9, три О-триггера (13 - 15), три ЯЯ-триггера (17 - 19), два элемента И - НЕ (11, 12), дешифратор 16, три формирователя (6, 7, 10), реверсивный счетчик 20, 3 - 2 - 5 - 6 - 10- 3 11 - 15 - 16 - 19 - 12 - 20; 3 - 2 - 5 - 7 - 15 - 16 - 18- 12 - 20; 6 - 9 - 11-14; 5 - 7 - 14; 16 - 13 - 20: 16-17-12; 18-13. 4 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для гидрофизических исследований,В настоящее время широкое распространение получили автономные цифровые измерители течения, в которых скорость и направление потока жидкости определяются путем измерения числа оборотов и направления вращения гидрологического импеллера, помещенного в поток жидкости.Известен способ измерения параметров скорости течения путем измерения скорости вращения гидрологического импеллера, реализованный в автономном приборе для записи температуры и течений в океане, заключающийся в том, что излучают световой сигнал, направленный на вращающийся диск импеллера, принимают световой сигнал, отраженный от зеркальной поверхности, сформированный на одном участке диска, и судят о скорости вращения по количеству отраженных световых сигналов, принятых фотоприемником. Этот способ позволяет повысить чувствительность при измерении скорости за счет уменьшениямассы импеллера и, соответственно, постоянной времени.Однако получить и рй этом высокую точность измерения параметров скорости не удается, т,к, невозможно определить направление вращения импеллера, Устройст-. во, в котором реализован данный способ - автономный прибор для записи температуры и течений в океане, выполненный в виде цилиндра, внутри которого размещена компасная картушка, ртутный термометр, часовоймеханизм, электробатареи, осветительные лампы, фотоустройство, электромагнитная муфта сцепления, содеркит фотоэлектрический преобразователь с зеркальцем, укрепленным на диске ротора и фотосопротивлением, установленный в корпусе прибора.Это устройство обладает теми же недостатками, что и способ, реализованный в нем.В качестве прототипа устройства для реализации способа выбрано устройство для автоматического измерения скорости и направления вращения, содержащее датчик числа оборотов и направления вращения, выполненный в виде магнитного элемента, трех герконов, трех формирователей и узла индикации скорости и направления вращения, состоящего из схемы ИЛИ, схемы И, дополнительной схемы И, ВЯ-триггера индикации направления, дополнительного ВЯ-триггера, логической схемы однозначности и счетчика, причем выход первого формирователя соединен с первым входом схемы ИЛИ и с Я-входом дополнительного триггера, 3-вход которого подключен к выходу второго формирователя ивторому входу схемы ИЛИ, а выход - ковторому входу дополнительной схемы И,первый вход которой соединен с третьимвходом схемы ИЛИ и выходом третьего формирователя, а выход - с входом триггераиндикации направления, В-вход которого"0 подключен к шине сброса, к второму входусхемы И, В-входам счетчика и выходу логической схемы однозначности, второй входкоторой соединен с выходом триггера индикации направления, а первый вход подклю 15 чен к выходу триггера младшего разрядасчетчика, вход которого соединен с выходомсхемы ИЛИ, четвертый вход которой подключен к выходу схемы И, первый вход которой соединен с шиной считывания.20 Это устройство, как и способ, реализованный в нем, имеет недостаточную чувствительность и точность измерений,особенно при малых скоростях измеряемыхтурбулизированных токов, близких к порогутрогания импеллера.Цель изобретения - снижение погрешности измерения в условиях знакопеременных скоростей, близких по величине кпорогу трогания импеллера,30 Поставленная цель достигается тем, чтов способе измерения параметров течения,заключающемся в приеме сигналов от вращающегося элемента, преобразовании их впоследовательность электрических импуль 35 сов и регистрации их очередности, вращающийся элемент последовательно облучаюткак минимум тремя акустическими импульсами, принимает отраженные акустическиесигналы, при этом направление течения оп 40 ределяют путем сравнения длительностивременных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, а скоростьтечения Ч определяется как:М45 и тигде К - количество импульсов зэвремя Ь;Ь - длительность цикла измерения;и - количество лопастей вращающегосяэлемента.50 Поставленная цель в устройстве для реализации способа достигается тем, что вустройство, содержащее чувствительныйэлемент-импеллер, три формирователя, элемент И - НЕ, реверсивный счетчик, 0-триг 55 гер, выход которого соединен суправляющим входом реверсивного счетчика, введены блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустическогопреобразователя, акустическая ось которорпендикулярна плоскостям лопастей ительного элемента, приемопередатервый и второй выходы которого соены с пьезоакустическим разователем, а вход - с выходом пер формирователя и управляющим вховторого формирователя, а третий д - с информационным входом второго ирователя, задающий генератор, втотретий О-триггеры, дешифратор, три 10 иггера, второй элемент И-НЕ, при выход задающего генератора подклювходам первого и третьего формироей и первому входу первого элемента , второй вход которого соединен с вы третьего формирователя, а прямой и сный выходы - со счетными входами го и третьего О-триггеров соответст- , О-входы которых подключены к вывторого формирователя, выходы 20 го и третьего О-триггеров соединены вым и вторым входами дешифратора етственно, первый вход дешифратора ючен к"В-входам первого, второго и его ВЯ-триггеров, второй, третий и чет й выходы - к Я-входам первого, второретьего ВЯ-триггеров, выходы которых; ючены соответственно к первому, втои третьему входам второго элемента , выход которого подсоединен к счет входу реверсивного счетчика, О-входго О-триггера соединен с выходом го ЯЯ-триггера, а С-вход - с четвертым ом дешифрэтора.а фиг, 1 схематически изображено пе ение лопасти импеллера относительчки отсчета, в которой. расположен акустический преобразователь; наизображена структурная схема уства дпя измерения параметров скоро ечения; на фиг. 3 - временная ммэ, иллюстрирующая установление лежности принятых эхо-сигналов к й, средней и дальней зонам отражефиг, 4 - временная диаграмма, илирующая определение числа ов и направление вращения импелго пчувствчик, Ьпре бвого диаг а прин д ближ е ния; а люст сбор т лера зом лера нии и (излувател зоне зульт расст следо жки и домвыхфорройРЯ-тэтомченватеИ - Нходоънвевторвеннходувторс песостподк. третвертго иподкромуИ - Нномуперввторвыхоремено тпьезфиг.ройссти особ реализуется следующим обра 50и вращении гидрологического импелаждая из его лопастей при перемещериодически попадает в зону действия ения) пьезоакустического преобразо(ПАП). Перемещение лопасти в этой 55хематично показано на фиг. 1, В рете такого перемещения изменяется яние от ПАП до плоскости лопасти, а ательно, и изменяется время задеринятого ПАП эхо-сигнала относительно возбуждающего импульса (фйг, 3), т.е, в зоне действия ПАП происходит модуляция времени распространения акустического сигнала. излученного ПАП, отражейного лопастью и принятого преобразователем, расстоянием между плоскостью лопасти и ПАП. При этом все возможные значения этого времени могут быть разделены на три группы: ближнего - тб . среднего - т и дальнего - тд, которые соответствуют положениям лопасти в ближней, средней и дальней зо- нах отражения, обозначенных на фиг. 1 индексами Б,С, Д. При вращении импеллера перемещение каждой лопасти в зоне действия ПАП изменяет временную задержку эхосигналов либо от тб до тд (фиг, 2 э) при вращении импеллера в одном направлении, условно показанном на фиг. 1 стрелкой с индексом Л, либо от тд до гб (фиг, 2 б) при вращении в противоположном направлении (стрелка С с индексом П на фиг. 1),Перемещение импульса, соответствующего принятому эхо-сигналу, при направлении вращения Л схематично показано на фиг, За, а при направлении вращения П - на фиг. Зб. Как следует из фиг. За и Зб, принятые Эхо-.сйгналы последовательно проходят три зоны. Для упрощения на фиг. 3 показано только по одному эхо-сигналу в каждой зо- не. При направлении вращения Л чередование зон происходит в последовательности Б-С-Д, при направлении вращения П - в последовательности Б-С-Д. При этом количество таких чередований, зафиксированной за цикл измерения, будет соответствовать количеству пересечений зоны действия ПАП, лопастями импеллера, и скорость вращения импеллера(об/с) определится по формуле:игде а - количество зафиксированных чередований;и - количество лопастей импеллера; Ъ - длительность цикла измерений, с.Направление перемещения лопасти, аследовательно, и направление вращения импеллера однозначно Определяется по тому, в какой последовательности средняя зо- на чередуется с какой-либо крайней. Из фиг3 следует, что при перемещении лопасти в направлении Л (фиг. За) средняя зона располагается после ближней и перед дальней; а при перемещении в направлении П (фиг. Зб) - после дальней и перед ближней. Таким образом, чередование Б-С или С-Д однозначно свидетельствует о вращении импеллера в направлении Л, а чередование С-Б или Д - С - о вращении в направлении П.1793380 5 10 15 20 25 30 35 40 50 В способе каждая единица информации о вращении импеллера сопровождается информацией о направлении перемещения лопасти в момент, непосредственно предшествовавший полученной единице информации. Таким образом, каждая единица информации, полученная предлагаемым способом, представляет собой единичный вектор: модуль вектора свидетельствует о пересечении лопастью импеллера точки отсчета (акустического луча ПАП), а направление вектора - о направлении, в котором перемещалась лопасть относительно этой точки. Результат суммирования векторов за время измерения содеркит информацию о средних значениях скорости и направлении вращения импеллера,При работе в условиях слабых знакопеременных потоков лопасть импеллера в течение цикла измерения может совершать колебания относительно точки отсчета. При этом возмокны следующие случаи колебания импеллера:1. Лопасти импеллера не пересекают акустического луча ПАП;2. Лопасть импеллера пересекает акустический луч ПАП так, что отраженные эхосигналы принадлежат одной или двум зонам;3. Лопасть импеллера полностью пересекает акустический луч ПАП попеременно в противополокных направлениях,В первом случае эхо-сигналы будут отсутствовать, и информация, полученная за время измерения, будет свидетельствовать об отсутствии вращения импеллера,Во втором случае, поскольку нет чередований всех трех зон (Б-С-Д или Б-С-Б), модуль вектора скорости будет равен нулю, что также свидетельствует об отсутствии вращения,. В третьем случае пересечением лопастью акустического луча будут соответствовать единичные векторы попеременно противоположных направлений, сумма которых за время измерения будет равна либо нулю (при четном количестве колебаний), либо +1 (при нечетном количестве колебаний лопасти),Устройство для измерения скорости и направления вращения гидрологического импеллера, реализующее предлагаемый способ измерения, содержит (фиг. 2) датчик , скорости и направления вращения, состоящий из пьезоакустического преобразователя 2, акустическая ось которого перпендикулярна плоскости лопастей 3 импеллера 4, приемопередатчика 5, первого 6 и второго 7 формирователей и узел обработки сигналов 8, состоящий из задающего генератора 9, третьего формирователя 10, первого 11 и второго 12 элементов И-НЕ, первого 13, второго 14 и третьего 15 О-триггеров, дешифратора 16, первого 17, второго 18 и третьего 19 ВЯ-триггеров и реверсивного счетчика 20,Выход задающего генератора 9 подключен к входу первого формирователя 6, выход которого соединен с управляющим входом второго формирователя 7 и входом приемопередатчика 5, между первым и вторым выходами которого подключен пьеэоакустический преобразователь 2, акустически связанный с лопастями 3 импеллера 4, а третий выход приемопередатчика 5 подключен к информационному входу второго формирователя 7, выход которого соединен с О-входом второго 14 и третьего 15 О-триггеров, С-входы которых соединены с прямым и инверсным выходами первого элемента И - НЕ 11, соответственно, второй вход которого подключен к выходу третьего формирователя 10, вход которого и первый вход первого элемента И-НЕ 11 соединены с выходом задающего генератора 9, Выходы второго 13 и третьего 15 О-триггеров соединены соответственно с первым и вторым входами дешифратора 16, первый выход которого соединен с Я-входами первого 17, второго 18 и третьего 19 ВЯ-триггеров, а второй, третий и четвертый выходы подключены соответственно к Я-входам первого 17,второго 18 и третьего 19 ВЯ - триггеров, Первый, второй и третий входы второго 12 элемента И-НЕ соединены, соответственно, с выходами первого 17, второго 18 и третьего 19 ЙЯ-триггеров, а выход второго 12 элемента И-НЕ подключен к счетному входу реверсивного счетчика 20, управляющий вход(вход управления направлением счета), которого соединен с выходом первого О-триггера 13, О-вход которого подключен к выходу второго ЙЯ- триггера 18, С-вход - к четвертому выходу дешифратора 16, а входы установки нуля и тактовый реверсивного счетчика 20 подключены, соответственно, к шинам "сброс" и"считывание", Выходы реверсивного счетчика 20 являются выходами устройства,Лопасти 3 импеллера 4 должны быть выполнены из материала, удовлетворяющего условиям: 55 р СрСв,где р, р - плотность материала лопастей3 и воды соответственно;С, С - скорости звука в материалелопастей 3 и воде соответственно,Устройство работает следующим образ м.Задающий генератор 9 формирует пос едовательность прямоугольных импульсов,и ступающих на вход первого формироват ля 6, По переднему фронту импульса свыхода первого формирователя 6 в приемопередатчике 5 формируется импульс возб ждения пьезоакустическогои еобразователя 2, Излученный преобразов телем 2 акустический импульс распростр няется в направлении импеллера 4, Прии ресечении одной из лопастей 3 вращающ гося импеллера 4 акустической оси прео разователя 2, акустический сигнал 15о ражается от лопасти 3, принимается прео разовэтелем 2 и преобразуется им в элект ический сигнал, который усиливаетсяу илителем 34 в приемопередатчике 5 и пос упает на вход второгоформирователя 7. 20П и вращении импеллера 4 лопасть 3 перем щается в зоне действия преобразователя2, в результате чего (фиг, 1) расстояние отн е до преобразователя 2 изменяется либоо Еб до Ед, либо от 1 д доб (в зависимости 25о 1 направления вращения импеллера 4), аследовательно, изменяется и время задержк акУстического эхо-сигнала от тб До тд илиОт,Гд ДО тб.Во втором формирователе 7 в момент 30прихода сигнала с вектора приемопередатчи 1 ка 5, соответствующего принятому акустическому эхо-сигналу, формируетсяпередний фронт импульса, длительность кото ого определяется вторым формирователем 7. Импульс с выхода этогоформирователя поступает на Р-входы второо 14 и третьего 15 О-триггеров, Последовательность импульсов с выхода задающегогенератора 9 поступает также на второй 40вход первого элемента И - НЕ 11 и на входтр тьего формирователя 10, с вьхода которо о последовательность импульсов, задержанная и инвертированная относительновходного сигнала, поступает на первый вход 45пе вого элемента И-НЕ 11. На выходах этого элемента формируются две последовательности импульсов - прямая и. инвертированная, которые поступают на Свходы второго 14 и третьего 15 О-триггеров 50соответственно,Число оборотов импеллера 4 определяется по количеству импульсов на выходевторого элемента И - НЕ 12, Импульс на выходе элемента И - НЕ 12 формируется при 55на ичии уровней "лог.О" на первом, второми т етьем его входах, т,е. на выходах, соотве ственно, первого 17. второго 18 и третьего 19 ЯЗ-триггеров, Согласно логике работы ВЯ-триггеров состоянию "лог,О" наих входах должно предшествовать состояние "лог.1" на Я-входах этих триггеров, Согласно логике работы дешифратора 16 навыходах ВЯ-триггеров 17, 18, 19 устанавливается состояние "лог.О" только при условии, что были приняты сигналы.принадлежащие всем трем зонам отраже-ния, т,е. импульс на выходе втйрого"элемЕн-та И-НЕ 12 формируется только приналичии чередованиязон отражения Б - С - Дили Д-С-Б, что свидетельствует о пересечении лопастью 3 зоны действия преобразователя 2, Направление перемещения лопасти3 определяет направление счета счетчика 20- сложение или вычитание, При перемещении лопасти 3 в направлении Л (фиг. 1, фиг.За) сигналу, соответствующему средней зоне отражения, предшествуетсигнаЛ; сОответствующий ближней зоне (фиг, 4 а). Приэтом выход второго О-триггера 14 перейдетв состояние "лог,1" раньше, чем выходтретьего О-триггера 15 и, следовательно, переднему фронту импульса на четвертом вы-ходе дешифратора 16 будетсоответствовать состояние "лог.1" на выходе второго ЯЯ-триггера 18, Такая последовательность сигналов приведет кформированию на выходе первого О-триггера 13 уровня "лог.О", что обусловит запись всчетчик 20 единицы со знаком "минус".При перемещении лопасти 3 в направлении П (фиг. 1, фиг. Зб) сигналу, соответствующему средней зоне отражения,предшествует сигнал, соответствующийдальней зоне (фиг, 4 б) и фронту импульса насчетном входе счетчика 20 будет соответствовать состояние "лог,1" на входе управления направлением счета счетчика 20, чтообусловит запись в счетчике единицы сознаком "плюс".Если перед началом цйклаизмерения всчетчик 20 записывать начальный код, то кконцу цикла измерений на его выходе будетзаписан код йвых.живых = 0+ 1" (2)где Г 4 - алгебраическая сумма импульсов,поступающих на счетный вход счетчика 20 втечение цикла измерения,Скоростьвращения импеллера из (1) сучетом (2) при в = М будет равна: 11 вых Иои тигде и - количество лопастей импеллера;т - длительность цикла измерения.Модуль Ч равен средней скорости вращения импеллера, а знак Ч определяется направлением его вращения.1793380 12 15 20 25 При измерении с помощью импеллера 4 слабых знакопеременных потоков, а также в ряде других случаев (например, при вибрациях грузонесущего кабеля или троса, на котором укреплен измеритель) возможны колебания импеллера. Если колебания импеллера происходят так, что при этом диаграмма направленности преобразователя 2 не пересекается лопастями 3 импеллера 4,то отраженные от лопастей эхо-сигналы бу дут отсутствовать, и состояние реверсивного счетчика 20 не изменится, т.е. колебания не будут восприниматься как вращение. Более сложным является случаи, когда импеллер 4 колеблется так, что лопасть 3: находйтся в зоне действия преобразователя2, и схема принимает и обрабатывает отраженные от лопасти 3 эхо-сигналы. При таких колебаниях импеллера 4, когда лопасть 3 полностью пересекает диаграмму направленности преобразователя 2 попеременно то в одном, то в другом направлениях, код на выходе счетчика 20 в конце цикла измерения либо не изменится, либо изменится Формула изобретения 1. Способ измерения параметров скорости течения, заключающийся в приеме сигналов от вращающегося элемента, преобразовании этих сигналов в последовательность. электрических импульсов и регистрации их очередности, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что с целью повышения точностиизмерения, вращающийся элемент последовательно облучают как минимум тремя акустическими импульсами, принимают отраженные акустические сигналы, при этом направление течения определяют путем сравнения длительности временных интервалов между каждым излученным и принятым сигналом, а скорость течения Ч : определяют какУ=- и Сигде М - количество импульсов за время 1 и;ти - длительность цикла измерения; и - количество лопастей вращающегосяэлемента.:2. Устройство для измерения параметров скорости течения, содержащее чувствительный элемент-импеллер, три формирователя, элемент И - НЕ, реверсивный счетчик, О-триггер, выход которого соединен с управляющим входом реверсивного счетчика, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в на+1, что интерпретируется либо как отсутствие вращения импеллера, либо как вращение его Со скоРостью Ч =1 и, что1ПЬ соответствует действительной средней за цикл измерения скорости вращения импеллера 4, Кроме рассмотренных выше, возможны такие колебания импеллера, при которых временная задержка эхо-сигналов изменяется на величину меньшую (т 6 - тд), т.е, лопасть 3 не пересекает все три зоны. При этом выход второго О-триггера 14 либо третьего О-триггера 15 будет оставаться в состоянии "лог.0", и на счетном входе счетчика 20 импульс будет отсутствовать, т,е. код на выходе счетчика 20 не изменится и такие колебания импеллера 4 также не будут восприниматься как вращение (Ч = О).Таким образом, устройство позволяет получать информацию о параметрах скорости течения при исследованиях слабых знакопеременных потоков и при эксплуатации в условиях высокочастотных вибраций измерителя,него введены блок регистрации, выполненный в виде пьезоакустического преобразователя, акустическая ось которого перпендикулярна плоскостям лопастей чувствительногоо элемента, приемопередатчик,первый и второй выходы которого соединены с пьезоакустическим преобразователем,а вход - с выходом первого формирователя и управляющим входом второго формирователя, а третий выход - с информационным входом второго формирователя, задающий генератор, второй и третий О-триггеры, дешифратор, три ВЯ-триггера, второй элемент И - НЕ, при этом выход задающего генератора подключен к входам первого и третьего формирователей и первому входу первого элемента И - НЕ, второй вход которого соединен с выходом третьего формирователя, а прямой и инверсный выходы - со счетными входами второго и третьего О-триггеров соответственно, О-входы которых подключены к выходу второго формирователя, выходы второго и третьего О-триггеров соединены с первым и вторым входами дешифратора соответственно, первый выход дешифратора подключен к Й-входам первого, второго и третьего ВЯ-триггеров, второй, третий и четвертый выходы - к Я-входам первого, второго и третьего ЯЯ-триггеров, выходы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему входам1793380 13 го 02.3 рого элемента И-НЕ, выход которого соединен к счетному входу реверсивночетчика, О-вход первого О-триггера соеНапра ЬейцеЬращенцд динен с выходом второго РЯ-триггера, а С-вход - с четвертым выходом дешифратора. роьовческццымгаЛлЕд1793380 О) Составитель И, Кочуродактор Б. Федотов Техред М,Моргентал ректор 3, Салко изводственно-издательский комбинат "Патен жгород, ул,Гагарина, 101 аказ 502 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5