Векторный измеритель тока

Измеритель векторного измерения тока (VMCM) — это прибор, используемый для измерения горизонтальной скорости в верхних слоях океана, в котором используются два пропеллерных датчика с ортогональным косинусным откликом, которые непосредственно измеряют компоненты горизонтальной скорости. ^{[ 1 ]} VMCM был разработан в конце 1970-х годов докторами. Робертом Веллером и Рассом Дэвисом, коммерчески производится компанией EG&G Sealink System (в настоящее время EdgeTech). Прибор имеет возможность развертывания в течение одного года на глубинах до 5000 м. Результаты как лабораторных, так и полевых испытаний показывают, что VMCM способен производить точные измерения горизонтальной скорости в верхних слоях океана. VMCM является текущим стандартом для высококачественных измерений скорости в приповерхностных областях. ^{[ 2 ]} и он использовался для сравнения других измерителей тока. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Оборудование

Основными компонентами VMCM являются два датчика пропеллера с ортогональной косинусной характеристикой, которые непосредственно измеряют компоненты горизонтальной скорости, параллельные их осям. Ориентация прибора относительно магнитного севера определяется с помощью феррозондового компаса , который позволяет оценить направление потока , определяя угол оси Y относительно магнитного севера . Микропроцессор . вращает координаты XY в обычных компонентах скорости восток-запад и север-юг Это делается один раз в каждом интервале выборки, и в конце интервала записи усредняются обычные компоненты скорости, и средние значения сохраняются на магнитной ленте кассеты . Другими компонентами системы являются сепаратор подшипника, торцевая крышка, наружная обойма подшипника, сепаратор шарика и шарики подшипника, энкодер и диск из эпоксидного или норилового пластика с четырьмя магнитами, окно давления, алюминиевый диск, два магнитодиода, установленных асимметрично. на печатном кольце, ступице и валу с выточенными в нем внутренними кольцами. Функция магнитодиодов — обнаружение вращения датчиков пропеллера.

В систему встроена электроника векторного усреднения, которая использует импульсы от магнитодиодов и направление прибора от феррозондового компаса для расчета и регистрации составляющих скорости. В 1990-х годах Уэй и др. ^{[ 2 ]} модернизировали электронику, изменив конструкцию схемы векторного измерения, компонентов сбора и хранения данных и сохранив вместо этого узел датчиков пропеллера, который доказал свою надежность в нескольких проведенных испытаниях. ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]} В герметичном корпусе находится электроника и приспособления, на которых крепятся гребные винты.

В своей первой конструкции конца 1970-х годов VMCM имел высоту примерно 2,56 м и массу в воздухе 34,5 кг. Оригинальный VMCM больше не продается у компании EG&G (в настоящее время EdgeTech). Компоненты электроники 1970-х годов устарели, и их трудно, а то и невозможно найти. Как и многие электронные компоненты, оригинальный феррозондовый компас больше не доступен. ^{[ 2 ]}

Датчики пропеллера

Инновации, привнесённые VMCM по сравнению с другими измерителями тока, обусловлены выбором двухосных пропеллерных датчиков, разработанных с точным косинусным откликом, и такой конструкцией прибора, которая минимизирует взаимодействие потока с корпусом прибора. ^{[ 1 ]}

«Косинусный отклик» относится к гребным винтам, которые реагируют только на составляющую потока, параллельную их оси вращения. Тогда их скорость вращения пропорциональна величине потока, умноженной на косинус угла между осью и вектором потока. Если функция углового отклика винтов косинусоидальная, то два таких датчика, расположенных под прямым углом к своим осям в горизонтальной плоскости, непосредственно измеряют ортогональные составляющие горизонтальной скорости. Вычисление компонентов не требуется (хотя они поворачиваются из системы отсчета прибора в обычные компоненты восток-запад и север-юг), а суммирование компонентов обеспечивает векторное усреднение.

Преимущества гребного винта с косинусной характеристикой широко признаны. ^{[ 1 ]}^{[ 6 ]} Веллер и Дэвис спроектировали датчики пропеллера и их расположение внутри герметичной клетки так, чтобы получить отклик, максимально приближенный к идеальному косинусоидальному угловому отклику. Изготовив и протестировав несколько семейств гребных винтов, они обнаружили лучший отклик в датчике с двумя гребными винтами (два гребных винта, закрепленных на оси) с двумя пятилопастными гребными винтами с шагом 30 градусов и диаметром 22 см. ^{[ 1 ]} Пропеллеры жестко анодированы, снаружи покрыты эпоксидной смолой и защищены цинковыми анодами. Их изготавливали из поликарбонатного пластика (LEXAN), а с недавнего времени — из норила. Датчики пропеллера используют декартову систему координат и обеспечивают ортогональные компоненты скорости в горизонтальной плоскости. Измеренные координаты необходимо лишь повернуть в условных направлениях восток-запад и север-юг.

Клетка высокого давления

В герметичном корпусе находится электроника и придаток, на котором крепятся гребные винты. Он изготовлен из стержня из титанового сплава 6А1-4В (диаметром 1,27 см), который выдерживает более высокий предел текучести, чем сталь, и обладает превосходной устойчивостью к коррозии и усталости металла в морской воде. Сконструированная таким образом клетка давления способна выдерживать напряжение до 10 000 фунтов. ^{[ 2 ]} и удерживайте электронику и датчики пропеллера в изоляции от напряжения. Это позволяет безопасно работать на глубине до 5000 м.

Вначале причиной поломки были подшипники гребного винта. После обширных испытаний подшипники были заменены поликарбонатным пластиком на нитрид кремния, и в результате этого изменения не было никаких отказов подшипников. ^{[ 2 ]}

Регистратор данных/контроллер

В начале 1990-х Брайан С. Уэй и др. ^{[ 2 ]} разработал новую версию VMCM и значительно усовершенствовал электронную систему. Новая версия VMCM включает в себя в качестве основных компонентов интерфейс векторного измерения (состоящий из аппаратного интерфейса ротора и компаса) и маломощный микроконтроллер для выполнения выборки. Первоначальная настройка выборки (например, частота выборки, интервал усреднения, коэффициенты калибровки) задается командой с начального компьютера (Tattletale 8, TT8). Однако фактическая выборка и вычисление средних значений векторов выполняются во внешнем блоке VMCM. Микроконтроллер PIC от Microchip Technology решает все эти задачи, генерируя текущие векторные показания севера и востока (Vn и Ve) с желаемым интервалом.

При стандартной работе с новой версией VMCM микроконтроллер PIC во внешнем интерфейсе VMCM производит выборку роторов и компаса со скоростью, изначально установленной TT8. При каждой выборке показания ротора и компаса накапливаются для векторного усреднения, и в выбранном интервале выборки средние векторные значения Vn и Ve передаются в TT8 для дальнейшей обработки и/или сохранения.

Пользовательский интерфейс / Программное обеспечение для настройки

Основная программа настройки дает пользователю возможность выбирать из следующих команд: интервал записи, какие параметры регистрировать (можно добавить измерение других параметров, таких как температура, проводимость , кислород , время слова, обновляемое с каждой записью, наклон, напряжение батареи), интервалы выборки для каждого выбранного параметра, время начала регистрации, время окончания регистрации. В новой версии VMCM простота и гибкость настройки и добавления датчиков сократили время, необходимое для подготовки приборов перед развертыванием в порту. ^{[ 2 ]}

Как VMCM вычисляет горизонтальную скорость

Два пропеллерных датчика с ортогональной косинусной характеристикой непосредственно измеряют компоненты горизонтальной скорости, параллельные их осям. Феррозондовый компас определяет ориентацию прибора относительно магнитного севера и позволяет оценить направление потока. Микропроцессор вращает координаты в обычных компонентах скорости восток-запад и север-юг. Это делается один раз в каждом интервале выборки, и в конце интервала записи обычные компоненты скорости усредняются и средние значения сохраняются. Вращение датчиков пропеллера фиксируется магнитодиодами. В результате асимметрии размещения магнитодиодов каждую четверть оборота создается шахматная пара импульсов; фазовое соотношение указывает направление вращения, а частота импульсов указывает скорость вращения. ^{[ 1 ]}

Для расчета и записи составляющих скорости схема векторного усреднения включается по счету ротора, о чем сигнализирует соответствующая последовательность изменений уровней магнитодиодов. Заголовок инструмента ( $\theta$ ) определяется, сохраняется в регистре и обновляется с частотой 1 Гц (раз в секунду). Если любой из винтов достаточно вращается (исходная версия VMCM имела порог скорости менее одного сантиметра в секунду ^{[ 7 ]}), пара импульсов вырабатывается магнитодиодами одного концентратора и отсчет происходит от ротора. Затем косинус и синус курса (который в данный момент хранится в регистре курса) добавляются в соответствующий регистр, в котором хранится $u$ и $v$ компоненты скорости. Для этого в конце каждого интервала выборки, по которому производится усреднение, оцениваются следующие суммы:

{\bar {u}}=\sum _{i=1}^{N}cos(\theta _{i})+\sum _{j=1}^{M}sin(\theta _{j})

и

{\bar {v}}=-\sum _{i=1}^{N}sin(\theta _{i})+\sum _{j=1}^{M}cos(\theta _{j})

где N — количество четвертей оборотов датчика, ориентированного восток-запад, при $\theta$ = 0, M — количество четвертей оборотов другого датчика, а $\theta i$ и $\theta j$ — это курс прибора в регистре курса, когда i-я и j-я пары импульсов подавались двумя датчиками пропеллера. Компоненты скорости хранятся в 12-битных регистрах и в конце каждого интервала выборки записываются в виде 16-битных слов (12 бит данных, 4 бита, идентифицирующих канал) на флэш-накопителе (в исходном виде). конструкции конца 1970-х годов использовалась кассета с более ограниченной емкостью).

Инструменты обычно фиксируют среднее значение $u$ и средний $v$ каждый интервал и время выборки каждый час. Могут быть записаны два других канала информации, такие как температура и давление. Можно выбрать различные интервалы выборки. Поскольку схема векторного усреднения включается только при возникновении пары импульсов магнитодиода, ток потребления пропорционален расходу воды.

Сравнение с другими измерительными приборами

На основе взаимного сравнения данных испытаний, полученных от VMCM и других измерительных приборов, таких как Aandera, VACM, измерители электромагнитного тока и ACM, было установлено, что датчик VMCM вносит наименьшую ошибку в относительно небольших средних расходах, когда высокочастотные колебательные движения колебания тоже присутствуют. ^{[ 1 ]}^{[ 5 ]} (из-за поверхностных волн, движения швартовки или того и другого). Это качество, вместе с точностью датчиков пропеллера, испытываемых в устойчивых, нестационарных потоках и их сочетаниях, ^{[ 1 ]} сделать VMCM подходящим для проведения точных измерений в верхних слоях океана.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Веллер Р.А. и Р.Э. Дэвис, 1980: Измеритель тока для векторного измерения . Глубоководные исследования, часть A, 27, 565–582.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Уэй, Б.С., Д.С. Хосом, Дж.Д. Уэр, Р.П. Траск и Г.П. Олсап, 1996: Модернизация векторного измерителя тока (VMCM) , Океанографический институт Вудс-Хоул, Департамент физической океанографии
^ Дики, Т.Д., А.Дж. Плюддеманн и Р.А. Веллер, 1998: Измерения течений и свойств воды в прибрежном океане . Море , К. Х. Бринк и А. Р. Робинсон, ред., Vol. 10, Джон Уайли и сыновья, 367–398.
^ Гилбой, Т.П., Т.Д. Дики, Д.Е. Сигурдсон, К. Ю и Д. Манов, 2000: Взаимное сравнение измерений тока с использованием векторного измерителя тока, акустического доплеровского профилировщика тока и недавно разработанного акустического измерителя тока
^ Перейти обратно: ^а ^б Халперн, Д., Р.А. Веллер, М.Г. Бриско, Р.Э. Дэвис и Дж.Р. Маккалоу, 1981: Тесты взаимного сравнения заякоренных измерений течений в верхних слоях океана, Журнал геофизических исследований 86, № C1, страницы 419–428.
^ Уолрод, Р.А., 1970: Реакция датчика тока гребного винта на внеосевой поток, магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, 90 стр.
^ Хеннинг, Б., В. Гандельсман и К. Коуп, 1981: Измеритель тока векторного измерения (VMCM) , EG&G Sea-Link Systems, страницы 522–525

[weller-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Веллер Р.А. и Р.Э. Дэвис, 1980: Измеритель тока для векторного измерения . Глубоководные исследования, часть A, 27, 565–582.

[way-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Уэй, Б.С., Д.С. Хосом, Дж.Д. Уэр, Р.П. Траск и Г.П. Олсап, 1996: Модернизация векторного измерителя тока (VMCM) , Океанографический институт Вудс-Хоул, Департамент физической океанографии

[3] Дики, Т.Д., А.Дж. Плюддеманн и Р.А. Веллер, 1998: Измерения течений и свойств воды в прибрежном океане . Море , К. Х. Бринк и А. Р. Робинсон, ред., Vol. 10, Джон Уайли и сыновья, 367–398.

[4] Гилбой, Т.П., Т.Д. Дики, Д.Е. Сигурдсон, К. Ю и Д. Манов, 2000: Взаимное сравнение измерений тока с использованием векторного измерителя тока, акустического доплеровского профилировщика тока и недавно разработанного акустического измерителя тока

[halpern-5] Перейти обратно: ^а ^б Халперн, Д., Р.А. Веллер, М.Г. Бриско, Р.Э. Дэвис и Дж.Р. Маккалоу, 1981: Тесты взаимного сравнения заякоренных измерений течений в верхних слоях океана, Журнал геофизических исследований 86, № C1, страницы 419–428.

[6] Уолрод, Р.А., 1970: Реакция датчика тока гребного винта на внеосевой поток, магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, 90 стр.

[7] Хеннинг, Б., В. Гандельсман и К. Коуп, 1981: Измеритель тока векторного измерения (VMCM) , EG&G Sea-Link Systems, страницы 522–525

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]