CN108896272A - 一种湍流测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湍流测量方法及测量装置，属于湍流测量领域，该方法采用快速温度传感器，采集湍流在耗散过程中由于能量交换产生的温度变化，以此获得湍流信息；该装置为实施上述方法而设计的，具体包括线性化电路、频率补偿电路和预加重电路，线性化电路、频率补偿电路、预加重电路通过线路依次连接。本发明方法既可以得到温度的大范围的变化趋势，也可以获得湍流信息，本发明装置结构简单，便于操作。

Description

一种湍流测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于湍流测量技术领域，具体涉及一种湍流测量方法及测量装置。

背景技术

湍流对海水的动量、热量和质量输运有重要贡献，对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著影响。

小尺度湍流对浮游生物的接触率、摄食率、生长率都有重要影响。中尺度湍流(相对涡度近似科氏频率)对生物种群分布、生物板块的形成和弥散、食物的可获性、浮游生物捕食者和被捕食者的相遇率等因子都有重要影响。研究海水湍流运动规律对理解上述海洋现象具有重要的科学意义。各尺度的湍流运动之间有着相互关系，微结构(小尺度)的湍流运动是产生海洋宏观现象的原动力。微尺度的海水剪切流速及剪切温度数据是研究海水湍流运动规律和获取动能耗散率的重要原始资料，现有的测量湍流信息的技术是通过剪切传感器直接测量湍流震动，来获得湍流信息。

现有湍流测量是通过剪切传感器将湍流震动直接转换为电压值，测量方法有以下不足： (1)剪切传感器对沿轴线的力分量不敏感，一个传感器，只能测量一维信息。要想实现对湍流的测量要至少安装两个剪切传感器。(2)实际测试过程中仪器的震动会对剪切测量湍流信息造成干扰，影响湍流测量精度。(3)传感器容易因为运输或者其它震动损坏，提高测量成本比较高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种湍流测量方法及测量装置，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种湍流测量方法，具体包括如下步骤：

步骤1：采用快速温度传感器，检测湍流在耗散过程中由于能量交换引起的温度变化，并通过采集系统采集温度数据，得到时域下的温度脉动信号；

步骤2：利用泰勒冻结定理，将步骤1的时域下的温度脉动信号转换为空间域，并去奇异值，得到空间域信号；

步骤3：对步骤2的空间域信号进行频谱转换并分析频谱数据，并将频谱转换为波数谱；

步骤4：对步骤3的波数谱进行迭代，得到湍流的热耗散率及湍动能耗散率。

优选地，快速温度传感器的时间常数范围为10ms～14ms。

优选地，快速温度传感器采用负温度系数的快速温度传感器。

优选地，快速温度传感器采用热敏电阻FP07。

此外，本发明还提到一种湍流测量装置，该装置为实施上述所述方法而设计的，具体包括线性化电路、频率补偿电路和预加重电路，线性化电路、频率补偿电路、预加重电路通过线路依次连接；

线性化电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和热敏电阻；

第一运算放大器的负输入端通过第三电阻与基准电压+2.5连接，第一运算放大器的正输入端接地；热敏电阻与第一电阻并联后的一端通过第二电阻连接到第一运算放大器的负输入端，热敏电阻与第一电阻并联后的另一端连接到第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端通过第四电阻与第二运算放大器的负输入端连接；第五电阻跨接在第二运算放大器的负输入端和输出端之间，第二运算放大器的负输入端通过第六电阻与基准电压+2.5连接，第二运算放大器的正输入端接地，第二运算放大器的输出端为NTC-SENSOR端(线性化放大电路输出端)；

频率补偿电路，包括第三运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

第七电阻的一端和第一电容的一端组成公共端连接至线性化电路的NTC-SENSOR端，第七电阻的另一端和第一电容的另一端组成公共端连接至第三运算放大器的负输入端，第八电阻的和第二电容并联跨接在第三运算放大器的负输入端和输出端之间，第三运算放大器的正输入端接地；第三运算放大器的输出端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端即为TP1 端(频率补偿电路输出端)，且该端口通过第三电容接地；

预加重电路，包括第四运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第四电容、第五电容和第六电容；

第十电阻的一端和第四电容的一端组成公共端连接至频率补偿电路的TP1端，第十电阻的另一端和第四电容的另一端组成公共端连接至第四运算放大器的负输入端连接，第十一电阻和第五电容并联跨接在第四运算放大器的负输入端和输出端之间，第四运算放大器的正输入端接地；第四运算放大器的输出端与第十二电阻的一端连接，第十二电阻的另一端即为TP2 端，且该端口通过第六电容接地。

本发明所带来的有益技术效果：

1、采用快速温度传感器，而非剪切传感器，减少了仪器震动对湍流测量的影响；

2、与传统所采用的剪切传感的价格昂贵且易损坏的缺点相比，本发明采用的快速温度传感器价格相对便宜且不易损坏，降低了成本；

3、本发明可以实现两个功能：(1)对海水温度的大范围测量；(2)对湍流信息的测量。

4、装置结构简单，便于操作。

附图说明

图1为本发明湍流测量方法的流程图。

图2为本发明中线性化电路的原理图。

图3为本发明中频率补偿电路的原理图。

图4为本发明中预加重电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

本发明一种湍流测量方法，湍流在混合的时候，存在着能量的交换，湍流的耗散过程是：大尺度到中尺度再到微尺度，最后以热能的形式散失；采用时间常数足够小的快速温度传感器，快速的采集湍流在耗散过程中由于能量交换局部产生的微小温度的变化，以此来获得湍流的信息；具体包括如下步骤：

步骤1：采用快速温度传感器，检测湍流在耗散过程中由于能量交换引起的温度变化，并通过采集系统采集温度数据，得到时域下的温度脉动信号；

步骤2：利用泰勒冻结定理，将步骤1的时域下的温度脉动信号转换为空间域，并去奇异值，得到空间域信号；

步骤3：对步骤2的空间域信号进行频谱转换并分析频谱数据，并将频谱转换为波数谱；

步骤4：对步骤3的波数谱进行迭代，得到湍流的热耗散率及湍动能耗散率。

其中，快速温度传感器的时间常数为10ms～14ms。

快速温度传感器采用负温度系数的温度传感器，具体选择热敏电阻FP07，利用快速温度传感器测量湍流信息的整体设计如图1所示。

FP07为负温度系数的热敏电阻，其非线性的温度电阻关系不利于数据采集系统的采集，因此，在实际的应用的过程中要对其进行线性化放大处理；针对FP07传感器存在着高频响应不足的问题，设计了频率补偿电路，使其达到湍流观测带的宽要求(1-159HZ)；为了解决传感器在高频衰减快的问题以及提高输出端的信噪比，设计了预加重电路；最后，通过采集系统采集NTC out和NTCHP out两路信号的电压值。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明设计了一种湍流测量装置，具体包括线性化电路、频率补偿电路和预加重电路，线性化电路、频率补偿电路、预加重电路通过线路依次连接；

1、采用的快速温度传感器为负温度系数的温度传感器(NTC)-热敏电阻FP07，其具有时间常数小(大约为10ms～14ms)的特点，能够满足测量湍流温度快速变化的需求。因为NTC热敏电阻随着温度的变化存在严重的非线性，因此设计了线性化电路，通过调节R1～R6电阻对其进行线性化，使其输出电压与温度存在线性关系，方便后续对电压进行处理。

线性化电路(其原理如图2所示)，包括第一运算放大器U1A、第二运算放大器U1B、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、热敏电阻FP07；

第一运算放大器U1A的负输入端通过第三电阻R3与基准电压+2.5连接，第一运算放大器U1A的正输入端接地；热敏电阻FP07与第一电阻R1并联后的一端通过第二电阻连接到第一运算放大器U1A的负输入端，热敏电阻FP07与第一电阻R1并联后的另一端连接到第一运算放大器U1A的输出端；第一运算放大器U1A的输出端通过第四电阻R4与第二运算放大器U1B的负输入端连接；第五电阻R5跨接在第二运算放大器U1B的负输入端和输出端之间，第二运算放大器U1B的负输入端通过第六电阻R6与基准电压+2.5连接，第二运算放大器U1B的正输入端接地，第二运算放大器U1B的输出端为NTC-SENSOR端。

2、热敏电阻FP07具有较低的截止频率，在高频时其信噪比下降，不能得到较好的温度谱，所以设计了一个频率补偿电路，减少因温度传感器自身引起的测量不足。

频率补偿电路(其原理如图3所示)，包括第三运算放大器U2、第七电阻R11、第八电阻R12、第九电阻R13、第一电容C11、第二电容C12和第三电容C13；

第七电阻R11的一端和第一电容C11的一端组成公共端连接至线性化电路的 NTC-SENSOR端，第七电阻R11的另一端和第一电容C11的另一端组成公共端连接至第三运算放大器U2的负输入端，第八电阻R12的和第二电容C12并联跨接在第三运算放大器U2 的负输入端和输出端之间，第三运算放大器U2的正输入端接地；第三运算放大器U2的输出端与第九电阻R13的一端连接，第九电阻R13的另一端即为TP1端(频率补偿电路输出端)，且该端口通过第三电容C13接地。

3、为了得到局部温度及对应温度的梯度变化，设计了预加重电路。

预加重电路(其原理如图4所示)，包括第四运算放大器U3、第十电阻R21、第十一电阻R22、第十二电阻R23、第四电容C21、第五电容C22和第六电容C23；

第十电阻R21的一端和第四电容C21的一端组成公共端连接至频率补偿电路的TP1端，第十电阻R21的另一端和第四电容C21的另一端组成公共端连接至第四运算放大器U3的负输入端连接，第十一电阻R22和第五电容C22并联跨接在第四运算放大器U3的负输入端和输出端之间，第四运算放大器U3的正输入端接地；第四运算放大器U3的输出端与第十二电阻R23的一端连接，第十二电阻R23的另一端即为TP2端，且该端口通过第六电容C23接地。

可以得到输出与输入电压的如下关系：

Vout＝Vin+R22*C21*(dVin/dt)

其中，Vout为TP2端输出电压；Vin为输入端电压。

4、通过采集电路采集NTC out及NTCHP out两路信号的电压值，通过已有的温度与电压的标定关系，可以得到NTC out这一路信号，得到海水温度一段时间水温的整体变化趋势。通过NTCHP out这一路信号，得到海洋温度的高频微尺度变化dT/dt；通过FFT变换到频域，得到对应的温度脉动频谱ψ(f)；根据泰勒冻结定理，将频谱转换到波数域并得到对应的波数谱；对波数谱进行积分得到热耗散率。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种湍流测量方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤1：采用快速温度传感器，检测湍流在耗散过程中由于能量交换引起的温度变化，并通过采集系统采集温度数据，得到时域下的温度脉动信号；

步骤2：利用泰勒冻结定理，将步骤1的时域下的温度脉动信号转换为空间域，并去奇异值，得到空间域信号；

步骤3：对步骤2的空间域信号进行频谱转换并分析频谱数据，并将频谱转换为波数谱；

步骤4：对步骤3的波数谱进行迭代，得到湍流的热耗散率及湍动能耗散率。

2.根据权利要求1所述的湍流测量方法，其特征在于：快速温度传感器的时间常数范围为10ms～14ms。

3.根据权利要求1所述的湍流测量方法，其特征在于：快速温度传感器采用负温度系数的快速温度传感器。

4.根据权利要求1所述的湍流测量方法，其特征在于：快速温度传感器采用热敏电阻FP07。

5.一种湍流测量装置，其特征在于：该装置为实施权利要求1所述方法而设计，具体包括线性化电路、频率补偿电路和预加重电路，线性化电路、频率补偿电路、预加重电路通过线路依次连接；

线性化电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和热敏电阻；

第一运算放大器的负输入端通过第三电阻与基准电压+2.5连接，第一运算放大器的正输入端接地；热敏电阻与第一电阻并联后的一端通过第二电阻连接到第一运算放大器的负输入端，热敏电阻与第一电阻并联后的另一端连接到第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出端通过第四电阻与第二运算放大器的负输入端连接；第五电阻跨接在第二运算放大器的负输入端和输出端之间，第二运算放大器的负输入端通过第六电阻与基准电压+2.5连接，第二运算放大器的正输入端接地，第二运算放大器的输出端为NTC-SENSOR端；

频率补偿电路，包括第三运算放大器、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

第七电阻的一端和第一电容的一端组成公共端连接至线性化电路的NTC-SENSOR端，第七电阻的另一端和第一电容的另一端组成公共端连接至第三运算放大器的负输入端，第八电阻的和第二电容并联跨接在第三运算放大器的负输入端和输出端之间，第三运算放大器的正输入端接地；第三运算放大器的输出端与第九电阻的一端连接，第九电阻的另一端即为TP1端，且该端口通过第三电容接地；

预加重电路，包括第四运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第四电容、第五电容和第六电容；

第十电阻的一端和第四电容的一端组成公共端连接至频率补偿电路的TP1端，第十电阻的另一端和第四电容的另一端组成公共端连接至第四运算放大器的负输入端连接，第十一电阻和第五电容并联跨接在第四运算放大器的负输入端和输出端之间，第四运算放大器的正输入端接地；第四运算放大器的输出端与第十二电阻的一端连接，第十二电阻的另一端即为TP2端，且该端口通过第六电容接地。