CN102928143B - 一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法，将动压传感器和含气量传感器安装于喷水推进器所在的平台上，将航速测量仪固定于平台上，测量方法包括用于确定动压偏大系数的拖桩步骤、用于确定平台运动影响系数的拖拉步骤和用于确定航行中喷水推进器的输出功率的航行测定步骤，其中，拖桩步骤确定动压偏大系数；拖拉步骤确定平台运动影响系数；航行测定步骤确定喷口流速、流量及喷水推进器的输出功率。本发明的测量方法能够对航行过程中喷水推进器的输出功率进行精确测量，本发明的测量方法原理明确，步骤清晰，各测量值的测试方法也非常明确，易于实现。

Description

一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法

技术领域

本发明水流流量测量领域，具体涉及一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法。

背景技术

喷水推进器是水上机动平台的一种动力装置，喷口流速、流量及喷水推进器的输出功率是衡量喷水推进器工作性能的一个重要指标。在实际航行工况下，喷水推进器喷水中通常含有气体，喷口的喷水流速也非常大、振动也很强烈，受这些条件的限制，目前没有对航行中喷水推进器的输出功率进行有效测量的方法，测量结果存在较大的偏差，因此，寻求一种可对航行中喷水推进器的输出功率进行有效测量的方法十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种可对航行中喷水推进器的输出功率进行有效测量的方法。

本发明采用的技术方案为：一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法，将动压传感器和含气量传感器通过传感器安装基座安装于喷水推进器所在的平台上，使动压传感器和含气量传感器位于喷水推进器的喷口的正前方；将航速测量仪固定于所述平台上，用以测量所述平台的航速，所述测量方法包括用于确定动压偏大系数β的拖桩步骤、用于确定平台运动影响系数ξ的拖拉步骤和用于确定航行中喷水推进器的输出功率P的航行测定步骤，其中，

所述拖桩步骤为：将拖桩固定于岸上，拖桩绳的一端拴于所述拖桩上，另一端栓于喷水推进器所在的平台上，所述拖桩绳串联有用于测量拖桩拉力的拉力计；

实施拖桩时，启动喷水推进器，通过拉力计获取喷水推进器在喷出水流时于拖桩绳212上产生的拉力f，单位为N；通过所述动压传感器获取喷水推进器的第一喷口水流动压P₁，单位为Pa；

所述动压偏大系数

其中，α为拖桩绳与水平面间的水平夹角，单位为度；S为喷水推进器的喷口面积，单位为m²；

所述拖拉步骤为：将一拖拉绳的一端拴于所述平台上，另一端拴于拖拉动力装置上；

实施拖拉时，关闭喷水推进器，启动拖拉动力装置，通过拖拉动力装置拉动所述平台运动，并通过所述动压传感器获取喷水推进器的第二喷口水流动压P₂，单位为Pa；通过所述含气量传感器获取喷水推进器的第一喷口水流含气量ρ₁，单位为％；通过所述航速测量仪获取喷水推进器所在平台的第一航速V_h1，单位为m/s；

通过

确定平台运动影响系数ξ，其中，ρ_m为所述平台运动时所在介质的静水密度，单位为kg/m³；

所述航行测定步骤为：启动喷水推进器，使喷水推进器驱动所在平台运动，通过所述动压传感器获取喷水推进器的第三喷口水流动压P₃，单位为Pa；通过所述含气量传感器获取喷水推进器的第二喷口水流含气量ρ₂，单位为％；通过航速测量仪获取喷水推进器所在平台的第二航速V_h2，单位为m/s；

通过确定喷口流速V_P，喷口流速的单位为m/s；

通过Q＝S(1-ρ₂)ρ_mV_P确定喷口流量Q，喷口流量的单位为kg/s；

并通过确定喷水推进器的输出功率P，输出功率的单位为w。

其中，所述动压传感器和含气量传感器均安装于位于喷口的正前方70mm～80mm的位置上。

其中，所述拉力计、动压传感器、含气量传感器和航速测量仪与处理计算机通信连接，以将采集到的信号传输至处理计算机，以通过处理计算机获取动压偏大系数，平台运动影响系数，以及喷水推进器的喷口流速、喷口流量和输出功率。

其中，所述含气量传感器的检测处理方法为：

步骤1：将测量电桥的测量电极置于被测介质中，其中，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和所述测量电极，将正负等幅的音频交流信号输入至所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端，其中，测量电极的两端作为测量电桥的输出端输出极板电压；

步骤2：获取音频交流信号的有效值E_v和测量电极的极板电压的有效值E_i；

步骤3：获取测量电极间的电阻值R_i，其中，

i＝p对应测量电极置于所述被测介质中的检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测介质中的检测量；

步骤4：计算测量电极间的水流含气量ρ，其中，其中，水流含气量ρ为体积浓度；

所述含气量传感器根据所述检测处理方法获取拖拉步骤中测量电极所处的流场环境的第一喷口水流含气量ρ₁，并获取航行测定步骤中测量电极所处的流场环境的第二喷口水流含气量ρ₂。

其中，步骤2中，通过激励源有效值转换电路获得所述音频交流信号的有效值E_v，通过电极有效值转换电路获得所述极板电压的有效值E_i；步骤2中，音频交流信号的有效值E_v经激励源转换电路转换为激励源标准电流信号I_v，极板电压的有效值E_i经电极转换电路转换为极板标准电流信号I_i，其中，激励源转换电路与电极转换电路的转换系数相同；

所述含气量传感器通过其数据采集处理单元执行步骤3和4，所述激励源标准电流信号经激励源电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元中，极板标准电流信号I_i经电极电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元；所述数据采集单元根据

计算测量电极置于所述被测介质中的电阻值R_p及测量电极置于不含气的所述被测介质中的电阻值R₀。

其中，所述音频交流信号的幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz。

本发明的有益效果为：本发明的测量方法能够对航行过程中喷水推进器的输出功率进行精确测量，本发明的测量方法原理明确，步骤清晰，各测量值的测试方法也非常明确，易于实现；另外，本发明的含气量传感器的检测处理方法由于采用了正负等幅的音频交流信号作为激励源，有效解决电极表面极化和钙化的问题；另外，采用音频交流信号及极板电压的有效值作为检测量，简化了信号检测单元的复杂性，提高了电路的可靠性；再者，测量信号通过电压电流转换单元转换成电流信号，并进行隔离后传送给数据采集处理单元，提高了系统恶劣电磁环境下的抗干扰能力。

附图说明

图1为根据本发明所述含气量传感器的一种实施结构的原理框图；

图2为图1所示测量电桥的电路原理图；

图3为图1所示的音频激励源的电路结构；

图4为图1所示信号检测单元及电压电流转换单元的电路结构；

图5为图1所示数据采集处理单元的工作流程示意图；

图6为实施本发明所述拖桩步骤的实施结构；

图7为实施本发明所述拖拉步骤的实施结构；

图8为实施本发明的所述航行测定步骤的实施结构；

图9示出了根据本发明的喷水推进器的输出功率的测量方法的一种实施方式的流程框图。

具体实施方式

执行本发明的航行中喷水推进器的输出功率的测量方法时，如图6、7和8所示，将动压传感器201和含气量传感器202通过传感器安装基座203安装于喷水推进器所在的平台210上，使动压传感器201和含气量传感器202位于喷水推进器的喷口209的正前方例如是70mm～80mm的位置上，该位置可以获得更有效的测量数据；将航速测量仪207固定于平台210上，用以测量平台的航速。

本发明的测量方法包括用于确定动压偏大系数β的拖桩步骤、用于确定平台运动影响系数ξ的拖拉步骤和用于确定航行中喷水推进器的喷口流速V_P、喷口流量Q及喷水推进器的输出功率P的航行测定步骤。

如图6所示，所述拖桩步骤为：将拖桩211固定于岸上，拖桩绳212(本实施例采用钢丝绳)的一端拴于拖桩211上，另一端栓于喷水推进器所在的平台210上，拖桩绳212串联有用于测量拖桩拉力的拉力计213；实施拖桩时，启动喷水推进器，通过拉力计213获取喷水推进器在喷出水流时于拖桩绳上产生的拉力f，单位为N(牛顿)；通过动压传感器201获取喷水推进器在拖桩步骤中的第一喷口水流动压P₁(即喷口处水流的动压)，单位为Pa。

所述动压偏大系数

其中，α为拖桩绳与水平面间的水平夹角，单位为度，该水平夹角可通过量角器215获得；S为喷水推进器的喷口面积，单位为m²。

该动压偏大系数是指利用喷水推进器的喷口水流动压来测量喷水推进器的输出功率时，需要对喷口水流动压进行修正的系数。

如图7所示，所述拖拉步骤为：将一例如是钢丝绳的拖拉绳223的一端拴于所述平台上，另一端拴于拖拉动力装置221上；实施拖拉时，关闭喷水推进器，启动拖拉动力装置221，通过拖拉动力装置221拉动所述平台210运动，并通过动压传感器201获取喷水推进器的第二喷口水流动压P₂，单位为Pa；通过含气量传感器202获取喷水推进器的第一喷口水流含气量(即喷口处水流的含气量)ρ₁，单位为％；通过航速测量仪207获取喷水推进器所在平台210的第一航速V_h1，单位为m/s。

通过确定平台运动影响系数ξ，其中，ρ_m为所述平台运动时所在介质的静水密度，单位为kg/m³，静水密度是指平台所在介质(本实施例是在湖泊中进行测定)中的自然密度，相对于喷水推进器喷出的介质密度，也可称为无外力干扰下的介质密度，静水密度可采用通常的密度计进行测量获取。所述平台运动影响系数是指喷水推进器所在平台运动时，对喷水推进器的喷口处水流产生的附加动压，利用动压测量喷水流速时，需要对动压测量值进行平台运动修正的系数。

如图8所示，所述航行测定步骤为：启动喷水推进器，使喷水推进器驱动所在平台210运动，通过动压传感器201获取喷水推进器的第三喷口水流动压P₃，单位为Pa；通过含气量传感器202获取喷水推进器的第二喷口水流含气量ρ₂，单位为％；通过航速测量仪207获取喷水推进器所在平台的第二航速V_h2，单位为m/s。

通过

确定喷口流速V_P，通过Q＝S(1-ρ₂)ρ_mV_P确定喷口流量Q，喷口流量的单位为kg/s，其中的喷口面积S及静水密度ρ_m的定义与拖拉步骤相同，并通过

确定喷水推进器的输出功率P，输出功率的单位为w(瓦)。

以上动压传感器201可通过动压传感器电信号接口201a，含气量传感器202可通过含气量传感器电信号接口202a，航速测量仪207可通过航速测量仪电信号接口207a，拉力计213可通过拉力计电信号接口213a将采集到的信号传输至处理计算机230中进行处理，以通过处理计算机230获取动压偏大系数，平台运动影响系数，以及喷水推进器的喷口流速、喷口流量和输出功率。以上的水平夹角及喷口面积可通过处理计算机的输入装置输入至处理计算机中。

图9示出了拖桩步骤、拖拉步骤和航行测定步骤需要进行测定的信号，及各步骤之间的关系。

如图1所示，本发明的含气量传感器可包括音频激励源1、测量电桥2、信号检测单元3和数据采集处理单元6，其中，如图2所示，测量电桥1包括电阻值为R_s的电桥电阻和用于置入流场中执行检测的测量电极，测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端为测量电桥的输入端，用于输入音频激励源1提供的正负等幅的音频交流信号，测量电极的两端为测量电桥的输出端，用于输出极板电压。以上音频交流信号可以采用幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz的音频信号，本实施例采用的音频交流信号的幅值为±15V，频率为3000Hz。

该信号检测单元3包括激励源有效值转换电路31和电极有效值转换电路32，其中，激励源有效值转换电路31用于计算音频交流信号的有效值E_v，电极有效值转换电路32用于计算极板电压的有效值E_i。该信号检测单元对音频交流信号和极板电压进行实时的同步检测，虽然检测信号是一个高频交变信号，但其测试对象的固有频率并不高，一般只有十几赫兹，因此，电路中采用有效值作为测量值，不仅能满足实际要求，还能简化电路的复杂性，提高了系统的可靠性。

该数据采集处理单元6在接收到音频交流信号的有效值和极板电压的有效值后，根据公式(1)计算测量电极间的电阻值R_i，根据公式(2)计算置于被测介质中的测量电极间的水流含气量C。

公式(1)：

其中，i＝p对应测量电极置于所述被测介质中的各检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测介质中的检测量，即R_p和E_P分别为测量电极置于被测介质中的电阻值和极板电压的有效值，R₀和E₀分别为测量电极置于不含气的所述被测介质中的电阻值和极板电压的有效值。

公式(2)：

其中，水流含气量C为体积浓度。

为了提高信号传送的抗干扰能力，本发明采用如图1所示的电压电流转换单元4将检测的两路电压的有效值，即音频交流信号的有效值E_v和极板电压的有效值E_i，转换成标准电流信号(即4～20mA的电流信号)，再通过隔离输出单元5将转换得到的激励源标准电流信号I_v和极板标准电流信号I_i传输至数据采集处理单元6进行计算。

具体为：该电压电流转换单元4包括转换系数相同的激励源转换电路41和电极转换电路42，激励源转换电路41将音频交流信号的有效值E_v转换为激励源标准电流信号I_v，电极转换电路42将极板电压的有效值E_i转换为极板标准电流信号I_i；隔离输出单元5包括激励源电流信号隔离模块51和电极电流信号隔离模块52，激励源和电极电流信号隔离模块分别将激励源和极板标准电流信号传输至数据采集处理单元6，数据采集处理单元6根据公式(3)计算测量电极间的电阻值R_i，并根据以上公式(2)计算测量电极间的水流含气量C。

公式(3)：

由于激励源转换电路41和电极转换电路42的转换系数相同，因此，通过公式(3)和公式(1)计算得到的测量电极间的电阻值R_i是相同的，即进行电压/电流信号转换不会影响测量值，公式(3)中的i与公式(1)中的i具有相同的定义。

如图3所示，本发明的音频激励源1可包括波形发生器U2(本实施例采用的型号为：ICL8038)和运放U1(本实施例采用的型号为LM7332)，波形发生器U2生成需要频率的正弦交流音频信号，通过调整电阻R5、R6和电容C2的值，可以改变正弦交流音频信号的频率F，其关系式为：

频率F＝0.33/R×C2(取R5＝R6＝R)。

由于波形发生器U2直接生成的正弦交流音频信号的幅度和驱动能力有限，满足不了使用要求，本实施例通过运放U1进行幅度和功率放大，提高电桥激励信号的幅值和驱动能力，从而提高系统的测量精度。

如图4所示，本实施例中，激励源有效值转换电路和电极有效值转换电路可采用相同的电路结构，激励源转换电路和电极转换电路可采用相同的电路结构，激励源电流信号隔离模块和电极电流信号隔离模块也可采用相同的电路结构，现以对音频激励源激输出的音频交流信号为例说明信号检测单元3、电压电流转换单元4和隔离输出单元5的具体实施结构。

激励源有效值转换电路31包括波形真有效值转换芯片U3(本实施例采用的型号为MX536)和电阻R8。波形真有效值转换芯片U3将输入的音频交流信号转换为音频交流信号的有效值E_v。

激励源转换电路41包括电压电流转换芯片U4(本实施例采用的型号为AD694)，主要功能是将波形真有效值转换芯片U3输出的音频交流信号的有效值E_v转换成标准的4～20mA的激励源标准电流信号I_v。

激励源电流信号隔离模块51包括电流隔离模块U5(本实施例采用的型号为T1100)，主要功能是将激励源标准电流信号I_v进行隔离后输出至数据采集处理单元6。

本发明的含气量传感器根据所述检测处理方法获取拖拉步骤中测量电极所处的流场(介质)环境的第一喷口水流含气量ρ₁，并获取航行测定步骤中测量电极所处的流场(介质)环境的第二喷口水流含气量ρ₂。

如图5所示，所述的数据采集处理单元6的工作流程为：

步骤a：系统初始化，之后执行步骤b；

步骤b：接收控制指令，之后执行步骤c；

步骤c：通过激励源A/D转换通道接收激励源标准电流信号I_v，并执行A/D转换，之后执行步骤d；

步骤d：通过电极A/D转换通道接收极板标准电流信号I_i，并执行A/D转换，之后执行步骤e；

步骤e：根据计算测量电极间的电阻值R_i，之后执行步骤f；

步骤f：判断控制指令确定的工作模式是否为检测水流含气量，如是则执行步骤g，如否则执行步骤h；

步骤g：根据计算水流含气量，之后执行步骤h；

步骤h：存储、显示和输出计算得到的测量值，之后执行步骤b。

以上的系统初始化主要用于完成变量、采样频率等初始设置；接收控制指令主要功能是接收当前系统的工作模式指令。所述数据采集处理单元6有两种工作模式，除了测量被测介质的水流含气量外，另一种模式是获得测量电极置于不含气的液体(与被测介质相同)中的测量电极间的电阻值R₀，两种模式的区别仅在于后者只需计算出电阻值R₀，无需再根据公式(2)计算出水流含气量。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，并非用来限定本发明的实施范围，但凡在本发明的保护范围内所做的等效变化及修饰，皆应认为落入了本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种航行中喷水推进器的输出功率的测量方法，其特征在于：将动压传感器和含气量传感器通过传感器安装基座安装于喷水推进器所在的平台上，使动压传感器和含气量传感器位于喷水推进器的喷口的正前方；将航速测量仪固定于所述平台上，用以测量所述平台的航速，所述测量方法包括用于确定动压偏大系数β的拖桩步骤、用于确定平台运动影响系数ξ的拖拉步骤和用于确定航行中喷水推进器的输出功率P的航行测定步骤，其中， 

所述拖桩步骤为：将拖桩固定于岸上，拖桩绳的一端拴于所述拖桩上，另一端栓于喷水推进器所在的平台上，所述拖桩绳串联有用于测量拖桩拉力的拉力计； 

实施拖桩时，启动喷水推进器，通过拉力计获取喷水推进器在喷出水流时于拖桩绳(212)上产生的拉力f，单位为N；通过所述动压传感器获取喷水推进器的第一喷口水流动压P₁，单位为Pa； 

所述动压偏大系数

其中，α为拖桩绳与水平面间的水平夹角，单位为度；S为喷水推进器的喷口面积，单位为m²； 

所述拖拉步骤为：将一拖拉绳的一端拴于所述平台上，另一端拴于拖拉动力装置上； 

实施拖拉时，关闭喷水推进器，启动拖拉动力装置，通过拖拉动力装置拉动所述平台运动，并通过所述动压传感器获取喷水推进器的第二喷口水流动压P₂，单位为Pa；通过所述含气量传感器获取喷水推进器的第一喷口水流含气量ρ₁，单位为％；通过所述航速测量仪获取喷水推进器所在平台的第一航速V_h1，单位为m／s； 

通过确定平台运动影响系数ξ，其中，ρ_m为所述平台运动时所在介质的静水密度，单位为kg／m³； 

所述航行测定步骤为：启动喷水推进器，使喷水推进器驱动所在平台运动，通过所述动压传感器获取喷水推进器的第三喷口水流动压P₃，单位为Pa；通过所述含气量传感器获取喷水推进器的第二喷口水流含气量ρ₂，甲位为％；通过航速测量仪获取喷水推进器所在平台的第二航速V_h2，甲位为m／s； 

通过

确定喷口流速V_P，喷口流速的单位为m／s； 

通过Q=S(1-ρ₂)ρ_mV_P确定喷口流量Q，喷口流量的单位为kg／s； 

并通过

确定喷水推进器的输出功率P，输出功率的单位为W。 

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述动压传感器和含气量传感器均安装于位于喷口的正前方70mm～80mm的位置上。 

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述拉力计、动压传感器、含气量传感器和航速测量仪与处理计算机通信连接，以将采集到的信号传输至处理计算机，以通过处理计算机获取动压偏大系数，平台运动影响系数，以及喷水推进器的喷口流速、喷口流量和输出功率。 

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量方法，其特征在于：所述含气量传感器的检测处理方法为： 

步骤1：将测量电桥的测量电极置于被测介质中，其中，所述测量电桥包括电阻值为R_s的电桥电阻和所述测量电极，将正负等幅的音频交流信号输入至所述测量电极和电桥电阻构成的串联电路的两端，其中，测量电极的两端作为测量电桥的输出端输出极板电压； 

步骤2：获取音频交流信号的有效值E_v和测量电极的极板电压的有效值E_i； 

步骤3：获取测量电极间的电阻值R_i，其中，

i＝p对应测量电极置于所述被测介质中的检测量，i＝0对应测量电极置于不含气的所述被测介质中的检测量； 

步骤4：计算测量电极间的水流含气量ρ，其中，其中，水流含气量ρ为体积浓度； 

所述含气量传感器根据所述检测处理方法获取拖拉步骤中测量电极所处的流场环境的第一喷口水流含气量ρ₁，并获取航行测定步骤中测量电极所处的流场环境的第二喷口水流含气量ρ₂。 

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：步骤2中，通过激励源有效值转换电路获得所述音频交流信号的有效值E_v，通过电极有效值转换电路获得所述极板电压的有效值E_i；步骤2中，音频交流信号的有效值E_v经激励源转换电路转换为激励源标准电流 信号I_v，极板电压的有效值E_i经电极转换电路转换为极板标准电流信号I_i，其中，激励源转换电路与电极转换电路的转换系数相同； 

所述含气量传感器通过其数据采集处理单元执行步骤3和4，所述激励源标准电流信号经激励源电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元中，极板标准电流信号I_i经电极电流信号隔离模块输入至数据采集处理单元；所述数据采集单元根据

计算测量电极置于所述被测介质中的电阻值R_p及测量电极置于不含气的所述被测介质中的电阻值R₀。 

6.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：所述音频交流信号的幅值为±12V～±18V，频率为1500Hz～3000Hz。 

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