Векторный измерительный измеритель тока

Эта статья - сирота , так как никакие другие статьи не ссылаются на нее . Пожалуйста, введите ссылки на эту страницу из связанных статей ; попробуйте инструмент "Найти ссылку", чтобы получить предложения. ( Декабрь 2012 г. )

Вектор измерения измерителя тока (VMCM) представляет собой инструмент , используемый для получения измерения горизонтальной скорости в верхнем слое океана, который использует два ортогональных датчики пропеллера отклика косинуса , которые непосредственно измерить компоненты горизонтальной скорости. ^[1] VMCM был разработан в конце 1970-х доктором. Роберт Веллер и Расс Дэвис и коммерчески производятся EG&G Sealink System (в настоящее время EdgeTech). Прибор рассчитан на эксплуатацию в течение одного года на глубинах до 5000 м. Результаты лабораторных и полевых испытаний показывают, что VMCM способен производить точные измерения горизонтальной скорости в верхних слоях океана. VMCM - это текущий стандарт для проведения высококачественных измерений скорости в приповерхностных регионах.^[2], и он использовался для тестирования других измерителей тока. ^{[3] [4]}

Оборудование

Основными компонентами VMCM являются два пропеллерных датчика с ортогональным косинусоидальным откликом, которые непосредственно измеряют компоненты горизонтальной скорости, параллельные своим осям. Ориентация инструмента относительно магнитного севера определяется с помощью феррозондового компаса , который позволяет оценить направление потока , обеспечивая угол оси Y по отношению к магнитному северу . Микропроцессор вращает координаты XY в обычных компонентов Восток-Запад и Север-Юг скорости. Это делается один раз в каждый интервал выборки, и в конце интервала записи обычные составляющие скорости усредняются, и эти средние значения сохраняются на магнитной ленте кассеты.. Другие компоненты системы: фиксатор подшипника, торцевая крышка, внешняя обойма подшипника, фиксатор шарика и шарики подшипника, энкодер и диск из эпоксидного или норилового пластика с четырьмя магнитами, окно давления, алюминиевый диск, два асимметрично установленных магнитодиода. на печатном кольце, ступице и валу с выточенными в нем внутренними кольцами. Магнитодиоды определяют вращение датчиков пропеллера.

В систему встроена электроника векторного усреднения, которая использует импульсы от магнитодиодов и направление прибора от феррозондового компаса для расчета и записи компонентов скорости. В 1990-х годах Уэй и др. ^[2] модернизировали электронику, изменив схему векторного измерения, сбора и хранения данных и сохранив вместо этого узел датчиков гребного винта, который оказался надежным в нескольких проведенных испытаниях. ^{[1] [5]} В напорном кожухе размещается электроника и часть, на которой установлены пропеллеры.

В своей первой конструкции конца 1970-х VMCM имел высоту примерно 2,56 м и массу в воздухе 34,5 кг. Исходный VMCM больше не коммерчески доступен от EG&G (в настоящее время EdgeTech). Компоненты электроники 1970-х годов устарели, и их трудно, если вообще возможно, найти. Как и многие другие электронные компоненты, оригинальный компас с магнитным затвором больше не доступен. ^[2]

Датчики пропеллера

Инновация, принесенная VMCM по сравнению с другими измерителями тока, является результатом выбора двухосных пропеллерных датчиков, разработанных с точным косинусным откликом, и конструкции прибора, позволяющей свести к минимуму влияние потока на корпус 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, умноженному на косинус угла между осью и вектором потока. Если функция углового отклика гребных винтов является косинусоидальной, то два таких датчика, расположенные под прямым углом с их осями в горизонтальной плоскости, непосредственно измеряют ортогональные компоненты горизонтальной скорости. Никаких вычислений компонентов не требуется (хотя они вращаются из системы отсчета прибора в обычные компоненты восток-запад и север-юг), а суммирование компонентов приводит к векторному усреднению.

Преимущества пропеллера с косинусоидальной характеристикой широко признаны. ^{[1] [6]} Веллер и Дэвис разработали датчики пропеллера и их расположение в камере высокого давления, чтобы получить отклик, максимально приближенный к идеальному косинусоидальному угловому отклику. После изготовления и испытаний нескольких семейств гребных винтов они обнаружили, что лучший отклик у датчика с двойным гребным винтом (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. Они производятся из поликарбонатного пластика (LEXAN), а в последнее время - из Noryl. Датчики пропеллера используют декартову систему координат.и обеспечить ортогональные компоненты скорости в горизонтальной плоскости. Измеренные координаты нужно вращать только в условных направлениях восток-запад и север-юг.

Каркас давления

В напорном корпусе находится электроника и часть, на которой установлены пропеллеры. Он изготовлен из прутка из титанового сплава 6А1-4В (диаметром 1,27 см), который выдерживает более высокий предел текучести, чем сталь, и обладает превосходной стойкостью к коррозии и усталости металла в морской воде. Разработанный таким образом кожух высокого давления способен воспринимать напряжение до 10 000 фунтов ^[2] и удерживать электронику и датчики гребного винта в изоляции от напряжения. Это позволяет безопасно работать до глубины 5000 м.

Вначале подшипники гребного винта выходили из строя. После значительных испытаний подшипники были модернизированы с поликарбонатного пластика до нитрида 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 улучшил электронную систему. Новая версия VMCM включает в себя в качестве основных субъединиц интерфейс векторного измерения (состоящий из аппаратного интерфейса ротора и компаса) и микроконтроллер с низким энергопотреблением для выполнения выборки. Первоначальная настройка выборки (например, частота дискретизации, интервал усреднения, коэффициенты калибровки) задается командой с начального компьютера (Tattletale 8, TT8). Однако фактическая выборка и вычисление средних векторных значений обрабатываются во внешнем модуле VMCM. Микроконтроллер PIC Microchip Technology обрабатывает все эти задачи, создавая текущие векторные значения севера и востока (Vn и Ve) с желаемым интервалом.

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

Пользовательский интерфейс / программное обеспечение для настройки

Основная программа настройки дает пользователю возможность выбрать одну 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 для начала регистрации, время окончания для остановки регистратора. В новой версии VMCM простота и гибкость настройки и добавления датчиков позволила сократить время, необходимое для подготовки прибора перед развертыванием в порту. ^[2]

Как VMCM вычисляет горизонтальную скорость

Два датчика пропеллера с ортогональным косинусоидальным откликом непосредственно измеряют компоненты горизонтальной скорости, параллельные их осям. Магнитный компас определяет ориентацию прибора по отношению к магнитному северу и позволяет оценить направление потока. Микропроцессор вращает координаты в обычных компонентах скорости восток-запад и север-юг. Это выполняется один раз в каждый интервал выборки, и в конце интервала записи обычные компоненты скорости усредняются, и средние значения сохраняются. Вращение датчиков пропеллера регистрируется магнитодиодами. В результате асимметрии в размещении магнитодиодов пара импульсов в шахматном порядке генерируется каждую четверть оборота;соотношение фаз указывает направление вращения, а частота пульса указывает скорость вращения.^[1]

Чтобы вычислить и записать компоненты скорости, схема векторного усреднения включается счетчиком ротора, о котором сигнализирует правильная последовательность изменений уровней магнитодиодов. Направление инструмента ( ) определяется и сохраняется в регистре и обновляется с частотой 1 Гц (один раз в секунду). Если любой пропеллер вращается в достаточной степени (исходная версия VMCM имела порог скорости менее одного сантиметра в секунду ^[7] ), пара импульсов генерируется магнитодиодами одной ступицы, а счет происходит от ротора. Затем косинус и синус заголовка (который в настоящее время хранится в регистре заголовка) добавляются в соответствующий регистр, в котором хранятся и${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle u}$${\ displaystyle v}$компоненты скорости. Для этого в конце каждого интервала выборки, в течение которого выполняется усреднение, оцениваются следующие суммы:

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

а также

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

где N - количество четвертей оборота датчика, ориентированного с востока на запад, когда = 0, M - количество четвертей оборота другого датчика, и - заголовки прибора в регистре курса, когда i-я и j-я пары импульсы подавались двумя датчиками пропеллера. Компоненты скорости хранятся в 12-битных регистрах, и в конце каждого интервала выборки они записываются в виде 16-битных слов (12 бит данных, 4 бита, идентифицирующих канал) на опоре флэш-накопителя (в исходном виде. в конструкции конца 1970-х использовалась кассетная лента с более ограниченным объемом памяти).${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \theta i}$${\displaystyle \theta j}$

Приборы обычно записывают среднее и среднее значение за каждый интервал выборки и время 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 тогда, когда возникает пара импульсов магнитодиода, расход тока пропорционален расходу воды.${\displaystyle u}$${\displaystyle v}$

Сравнение с другими измерительными приборами

На основе взаимного сравнения данных испытаний, полученных от VMCM и других измерительных приборов, таких как Aandera, VACM, электромагнитных измерителей тока и ACM, было обнаружено, что датчик VMCM вносит наименьшую ошибку в относительно небольшие средние потоки, когда высокочастотные колебательные колебания тоже присутствуют. ^{[1] [5]} (из-за поверхностных волн, швартовки или того и другого). Это качество, вместе с точностью датчиков пропеллера, испытанных в устойчивых, нестационарных потоках и их комбинациях ^[1], делает VMCM подходящим для проведения точных измерений в верхних слоях океана.

использованная литература