Измерение направления течений

В океанологической практике для определения ориентации из-мерителей течения в пространстве обычно используют магнитный метод, базирующийся на измерении угла между направлением магнитного меридиана и направлением горизонтальной составляющей вектора скорости течения. Угол поворота компасной картушки относительно азимутального кольца фиксируется с помощью механических, электромеханических, потенциометрических, феррозондовых,

фотоэлектрических и других преобразователей, способных модулирО- пать значение угла поворота в аналоговый или цифровой код.

В этом случае, особенно при использовании однокомпонентных. датчиков скорости потока, возникает необходимость ориентирования корпуса прибора с находящимся в нем датчиком направления но потоку. Для достижения подобного эффекта в конструкции таких приборов предусматривается установка рулей и направляющих плоскостей, площади которых зависят от необходимых постоянной иремени и чувствительности измерителя к изменению направления потока. Но при таком определении направления течения значитель-

методические погрешности могут возникнуть из-за неточности

установки корпуса прибора по потоку. Гидродинамическую силу F (по И. С. 'Кончину), воздействие которой на рули разворачивает при- бор, можно определить как

F = 0, 5 С/2 pS'pCpSincp,

где р •— плотность воды; $р — площадь рулей; Ср — коэффициент лобового сопротивления рулей; < р — угол между направлением течения и диаметральной плоскостью корпуса прибора. Эта зависимость показывает, что при уменьшении угла < р гидродинамическая сила уменьшается по синусоидальному закону (не линейно), что в резуль-тате может привести к возникновению зоны нечувствительности к направлению течения. Возникающая при этом погрешность опреде-ления направления достигает довольно больших значений. Однако благодаря своей простоте данный способ до сих пор широко исполь- иуется во многих измерителях.

В некоторых измерителях скорости потока, особенно в тех, что не требуют ориентирования по потоку (ротор Савониуса, крест Робин-сона), для определения направления, как правило, используется не «■ вязанный жестко с корпусом флюгерный датчик. По положению такой флюгарки судят об угле ориентации вектора течения ф отно-сительно приборной системы координат, положение которой в про-странстве определяется магнитным компасом. Поскольку масса флю- I арки гораздо меньше массы собственно прибора, погрешность флю- I арного датчика будет не более +(1—-2)°. Обычно передача информации от флюгарки к самому прибору осуществляется с помощью магнитной муфты. Следует отметить, что в этом случае могут возникнуть дополнительные погрешности, вызванные несогласованностью харак-теристик флюгарки с таковыми датчика скорости, с рулевым опере-нием корпуса и т. п.

В последнее время все более широкое применение находят изме-рители с двухкомпонентными датчиками скорости течения из-за своих преимуществ в отношении точности измерения направления течения. В этом случае угол ориентации ф вектора скорости потока U относительно приборной системы координат однозначно определяется через отношение измеренных ортогональных компонентов 17г и U2 этого вектора как

Ф = arctg-(Uz/Ui),

если угол ф отсчитывается относительно направления, совпадающего с направлением компонента U1. Но и здесь положение приборной системы относительно магнитного меридиана измеряется с помощью магнитных компасов.

В океанологической практике наибольшее распространение нашли механические и феррозондовые магнитные компасы — датчики азимутального угла расположения корпуса прибора. В качестве механических компасов, как правило, используются потенциометри-ческие компасы и компасы с кодовыми масками. Первые преобразуют значение азимутального угла в аналоговый электрический сигнал, а вторые — в цифровой код.

Потенциометрический компас представляет собой проволочный реохорд, скользящий электрод которого укреплен на картушке и в момент измерения е помощью соленоида прижимается к реохорду. При использовании потенциометрического преобразователя компасную картушку можно также поместить в раствор электролита. Такой компас состоит из котелка, заполненного электролитом (спиртовой раствор с добавкой солей хлористого натрия и формалина), и плавающей внутри котелка компасной картушки. Жидкостный преобразователь угла поворота картушки в электрический сигнал является линейным потенциометром, т. е. угловое положение картушки будет пропорционально выходному сигналу датчика. Недостатком приборов первого типа является недостаточная надежность механического контакта скользящего электрода с проволочным реохордом, деформация иглы картушки и значительное энергопотребление, а второго типа — трудность герметизации котелка и наличие дополнительной температурной погрешности.

В другом типе механических компасов используются различные кодирующие маски с оптическим съемом информации. Ось магнитной картушки вращается в подшипниках, установленных на раме на кардановом подвесе, изготовленной из немагнитного материала. На раме также закреплены осветитель и светочувствительные элементы. Вся система помещена в герметичный кожух из немагнитного материала, заполненный чистой и прозрачной жидкостью. Кодирующая маска обычно изготавливается в виде тонкостенного барабана или диска. На нее наносятся разрядные дорожки в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных сегментных участков, число светочувствительных элементов в которых соответствует числу разрядных дорожек. Кодирование осуществляется с помощью одного из помехозащищенных кодов (чаще всего 8-раз- рядного кода Грея) как по линейному закону, так и в любой функции. В последнем случае на раме устанавливается вторая линейка светочувствительных элементов перпендикулярно первой. Свет от осветителя, проходя через прозрачные сегменты разрядных доро-жек, воздействует на соответствующие светочувствительные элементы. Получаемый при измерении кодированный сигнал однозначно соответствует положению картушки относительно корпуса прибора. Разрешающая способность подобных систем принципиально оп-ределяется числом разрядных дорожек. Существенным недостат-

к, ом компасов с оптическим съемом информации является высокой энергопотребление. v':

В последнее время для измерения направления Вектора скорости отмочено использование феррозондовых датчиков магнитного ме'ри- дишщ, учитывающих изменение индуктивности нескоЛьких взаимно перпендикулярных обмоток, расположенных на сердечнике из маг-нитного материала с высокой магнитной проницаемостью (обычно пермаллоя), под действием магнитного поля ЗемДи. Действие маг-нитного поля Земли способствует возникновению пропорциональной ему второй гармоники, которую можно измерить и преобразо- ипть в кодовый сигнал. Одна из этих обмоток вырабатывает сигнал, пропорциональный синусу, а другая — косинусу угла поворота датчика относительно магнитного меридиана. Точность измерения при горизонтальном положении подобного прибора окбло 2° при разре-шающей способности 0, 1°.

I ’азрешающая способность по углу потенциометрических компа- соп составляет 0, 5—2°, а погрешность +(3—10)°. Дисковые компасы с Н разрядным кодом Грея позволяют обеспечить разрешающую способность +1° при точности измерений до ±3°.