Ультразвуковой способ измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода проточной воды в открытом водоеме. Предложенный способ включает последовательность следующих операций: - пошаговое (с заданным временным интервалом) ультразвуковое измерение скорости воды в поперечном сечении русла водоема на основе зондирования толщи воды с борта водоплавающего измерителя, например, установленного на радиоуправляемой лодке; - регистрация на каждом шаге измерений текущей величины горизонтального угла сноса измерителя течением воды по данным навигационных измерений, а также - текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов; - сравнение текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды с пороговыми значениями для выбора рационального режима измерений с точки зрения повышения точности измерений параметров водоема; - выбор в зависимости от знака и величины результатов сравнения рационального режима измерений, включающего рациональный выбор параметров зондирующих ультразвуковых импульсов, их вид модуляции и соответствующий вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов; - интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости течения воды и расхода воды в поперечном сечении русла водоема на основе найденных значений текущей глубины водоема, радиальной скорости течения воды и угла сноса ультразвукового измерителя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к ультразвуковым способам измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, например в русле реки или водоканала.

Известен ультразвуковой способ /1-3/ измерения скорости V течения воды на основе излучения импульсов ультразвуковых синусоидальных волн от одного берега водоема к другому перпендикулярно направлению движения воды, регистрации разности времен прямого t1 и обратного t2 распространения ультразвука в воде в поперечном сечении реки и вычислении средней скорости V течения воды из выражения:

где:

d - уровень воды в водоеме;

L - расстояние между разнесенными ультразвуковыми преобразователями, установленными на дне и на поверхности воды противоположных сторон водоема соответственно.

При этом расход W воды может быть определен из условия

где - площадь поперечного сечения воды в русле водоема.

Недостатком известного способа /1-3/ измерения является пониженная точность измерений скорости V течения воды. Для обеспечения точности ≤1% измерений абсолютная погрешность измерения разности времен Δt=t2-t1 не должна превышать 3⋅10-11 с. Измерение такой разности времен требует наличия относительно сложного устройства для измерения. Кроме того, площадь ΔS поперечного сечения воды и распределение ΔV скорости течения в русле водоема в открытом объеме зависит от рельефа дна и трудно измеряемы. Это дополнительно снижает точность измерений скорости течения и расхода воды в руслах рек.

Известен ультразвуковой способ /4/ измерения скорости V течения воды на основе на основе ультразвукового зондирования воды в водоеме от одного берега к другому перпендикулярно направлению движения воды, измерения разности фаз Δϕ ультразвука и вычисление скорости V течения воды из выражения:

где:

- частота ультразвука;

α - угловое направление ультразвука (угловой наклон линии L относительно дна водоема);

С - скорость ультразвука в воде.

При этом расход W воды, как и в предыдущем техническом решении, может быть определен из условия (2)

W=V⋅ΔS,

где - площадь поперечного сечения воды в русле водоема.

Недостатком известного ультразвукового способа /4/ измерения скорости воды согласно /5/ является трудность применения в реках с расширенным руслом. Это связано со следующим. Во первых, из-за увеличенного значения L пути распространения ультразвука трудно принимать передаваемую ультразвуковую волну, а принимаемый импульс принимает форму «колокола» из-за серьезной проблемы затухания. Увеличение интенсивности ультразвуковой волны и/или уменьшении частоты импульса для компенсации затухания приводит к возникновению явления кавитации, препятствующей распространению ультразвука. Во-вторых, амплитуда ультразвуковой волны при кавитации сильно пульсирует, вследствие чего ультразвуковая волна рассеивается и отражается из-за различных величин вихревых токов, изменения концентрации плавающих частиц, изменения температуры воды. Сильное затухание и пульсация ультразвукового импульса создают много погрешностей при фиксации момента, когда приходит ультразвуковой импульс. Таким образом, погрешность измерения скорости течения увеличивается.

Если L=10 м, V=3 м/с, и С=1500 м/с в относительно малом открытом русле, разность фаз Δϕ такова:

Поскольку разность фаз превышает π радиан, невозможно проводить однозначное измерение скорости течения на основании измерения разности фаз. Другим недостатком известного ультразвукового способа измерения из условия (3) требует отдельного измерения скорости звука в конкретном водоеме.

Кроме того, площадь ΔS поперечного сечения воды и распределение ΔV скорости течения в русле водоема в открытом объеме зависит от рельефа дна и трудно измеряемы. Это дополнительно, как и в предыдущем техническом решении, снижает точность измерений скорости течения и расхода воды в руслах рек.

Известен ультразвуковой способ /5/ измерения скорости V течения воды на основе комбинации способа /2/, регистрирующего разность времен распространения ультразвуковых колебаний, и способа /4/, регистрирующего разность фаз, в зависимости от размера интервала L, на котором измеряют скорость течения.

Указанный способ /5/ измерения скорости течения воды включает измерение по меньшей мере двух разностей времен распространения незатухающих ультразвуковых синусоидальных волн в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения и вычисление скорости течения. При этом осуществляют амплитудную модуляцию незатухающей ультразвуковой синусоидальной волны несущей частоты сигналом с частотой модуляции, меньшей, чем несущая частота , в течение периода и осуществляют распространение амплитудно-модулированных сигналов в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения. Далее осуществляют демодуляцию принимаемых амплитудно-модулированных сигналов после распространения их в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения. Для детектирования сигнала частоты fм амплитудной модуляции, измеряют, по меньшей мере, два временных интервала между моментом амплитудной модуляции сигнала несущей частоты fc сигналом с частотой fм модуляции и моментом детектирования сигнала fм амплитудной модуляции из демодулированного сигнала после распространения ультразвуковых синусоидальных волн в противоположных направлениях углом α к направлению скорости течения. Затем по измеренным временным интервалам t1, t2, вычисляют скорость течения из выражения

при этом частоту fм сигнала амплитудной модуляции выбирают из следующего выражения:

где fp - максимальная частота пульсации затухания в момент распространения ультразвуковой волны в текучей среде;

Cmax - максимальная скорость звука в текучей среде;

L - интервал распространения ультразвука;

Vmax - максимальная ожидаемая скорость течения на интервале L;

α - угол между направлением распространения ультразвуковой волны и направлением скорости течения.

При этом определение разности времен распространения, предназначенном для измерения скорости течения без передачи/приема ультразвукового импульса, включает этапы, на которых осуществляют амплитудную модуляцию несущей незатухающей гармонической ультразвуковой синусоидальной волны в меньшую частоту и передают амплитудно-модулированные сигналы всякий раз при измерении времени распространения ультразвука, осуществляют демодуляцию принимаемых сигналов, осуществляют обнаружение или дискриминацию амплитудно-модулированного сигнала и измеряют временной интервал между моментами амплитудной модуляции распространяемой волны и демодуляции принимаемого амплитудно-модулированного сигнала. Определение разности фаз, не зависящей от скорости звука, включает этапы, на которых осуществляют амплитудную модуляцию ультразвуковой волны в меньшую частоту, если разность фаз между ультразвуковыми волнами, передаваемыми в направлении, противоположном скорости течения, превышает π радиан, выходя за диапазон измерения обычного дискриминатора разности фаз, и становится равной mπ+β, и осуществляют передачу/прием амплитудно-модулированного сигнала, измеряют разности фаз между амплитудно-модулированными сигналами и между переносимыми ультразвуковыми волнами и получают m, и обеспечивают увеличенную точность измерения разности фаз между переносимыми ультразвуковыми волнами. Например, при L=10 м, α=45°, Cmax=1500 м/с, Таким образом, можно выбрать fм в диапазоне 10-20 кГц.

Учитывая переходные явления ультразвуковой волны, необязательно выбирать более высокую частоту сигнала fм амплитудной модуляции. При этом выражение для измерения скорости V течения воды принимает следующий вид:

Определение скорости течения из выражения (6) является технически выгодным, поскольку необязательно измерять скорость звука отдельно, даже при условии, что скорость звука претерпевает значительные изменения. Но измерять скорость течения на основании выражения (6) можно только в случае, если погрешность разностей фаз Δψ1 и Δψ2 очень мала - настолько, что ее можно игнорировать.

Недостатком известного ультразвукового способа /5/ является трудность реализации. Кроме того, из-за горизонтального ультразвукового зондирования водоема (установки ультразвуковых датчиков на противоположных сторонах водоема) способ измерения скорости V течения воды не учитывает рельеф и глубину дна водоема, а также распределение скорости и объема потоков воды в поперечном сечении русла реки.

Последнее не позволяет получить достаточную точность измерения скорости и расхода воды в водоеме.

Известен ультразвуковой способ /6/ измерения скорости V течения и расхода воды в открытом водоеме, заключающийся в пошаговом с временным интервалом Δt ультразвуковом измерений скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта судна, в вертикальном зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами и регистрации, на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды, вычисление текущей глубины dn водоема, и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от дна водоема относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов соответственно, интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости Стечения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе интегрирования и усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и dn.

При этом вертикальное ультразвуковое зондирование и измерение толщи воды осуществляют блоком эхолотов, размещенных по бортам судна, движущимся по водной поверхности водоема перпендикулярно направлению течения воды. Измерение допплеровских сдвигов отраженных импульсов, вызванных течением воды, основано на корреляционной обработке и усреднении доплеровской частоты в принимаемых спектрах ультразвуковых сигналов разнесенных бортовых ультразвуковых антенн. Измерение текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды проводят путем измерения радиальной скорости движения воды относительно корпуса судна пропеллерными датчиками, размещенными на выносных штангах судна. Измерение текущей радиальной скорости Vn течения воды производят на основе регистрации времени задержки и допплеровских сдвигов частоты сигналов эхолота от дна водоема на приемных ультразвуковых антеннах, разнесенных по корпусу судна ниже его ватерлинии. Определение средней скорости V течения воды в поперечном сечении русла водоема производят на усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и dn.

Определение расхода W воды в водоеме производят на основе пошаговых расчетов текущего расхода ΔWn=ΔVn⋅ΔSn(dn) воды в поперечном сечении русла и интегрирования результатов пошаговых измерений текущих значений ΔWn и угла Δβ(n) сноса судна.

Недостатком известного ультразвукового способа /6/ является пониженная точность измерения средней скорости проточной воды в водоеме, связанная с пониженной разрешающей способностью измерений, основанных на оценке доплеровской частоты в принимаемом спектре сигналов эхолота, с пониженной точностью измерений сноса судна на основе регистрации скорости поверхностного течения воды относительно поверхности судна. Другим недостатком известного способа является невозможности проведения измерений при малых глубинах водоемов из-за недостаточной разрешающей способности эхолота и повышенной осадке судна, несущего крупногабаритную измерительную аппаратуру.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода воды в открытом водоеме.

Сущность изобретения.

Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что ультразвуковой способ измерения скорости течения и расхода W проточной воды в открытых водоемах включает:

- пошаговое с временным интервалом Δt ультразвуковое измерение скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта ультразвукового измерителя, например, установленного на радиоуправляемой лодке;

- зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами;

- регистрация на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды;

- вычисление текущей глубины Δdn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от микропузырьков, песка или микроорганизмов в воде, а также дна водоема относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов соответственно;

- интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости V течения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn и Δβ(n) и Δdn.

Согласно изобретению после каждого измерения текущей глубины dn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды дополнительно выполняют последовательность следующих операций:

- сравнивают измеренные значения величин Δdn и ΔVn с пороговыми значениями Δdnгр и ΔVnгр;

- в зависимости от знака и величины результатов сравнения режим измерения, параметры зондирующих ультразвуковых импульсов, их вид модуляции и вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов выбирают из представленного ниже условия (7):

- Режим «А», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов + импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих сигналов (ЗС) + внутриимпульсную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС) с временным интервалом внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс;

Иное - Режим «Б», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов с разницей периодов повторений ΔТ2 + междупериодную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС).

При этом

- численное значение величины Δβ(n) сноса судна течением воды определяют на основе навигационных измерений пространственного положения судна;

- в каждом режиме измерений «А» и «Б» производят раздельное накопление и корреляционную обработку отраженных эхосигналов;

- в режиме «А» измеряют коэффициент внутриимпульсной корреляции ρΔT1;

- в режиме «Б» - проводят расчет междупериодного коэффициента корреляции ρΔT2;

- в режимах «А» и «Б» вычисляют аргументы arg(ρΔT1) или arg(ρΔT2);

- в режимах «А» и «Б» текущую радиальную скорость Vn течения воды определяют по найденному значению аргумента arg(ρΔT1) или arg(ρΔT2) коэффициента корреляции из условия

где

- ΔTi - временной интервал внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс для метода «А» или разность периодов повторений ультразвуковых импульсов ΔТ2 в режиме «Б»;

- λ - длина волны ультразвукового излучения;

- в процессе интегрировании результатов текущих измерений среднюю скорость V, расход W проточной воды, длину L и площадь S поперечного профиля водоема вычисляют из выражений:

где

- ΔVn, Δdn, Δβ, ΔWn, - текущие значения скорости ΔVn воды, толщины Δdn водяного слоя (текущая глубина водоема), угла сноса линии измерений, удельного расхода ΔWn проточной воды,

- ΔLn, Δt - длинна пространственного и временного шага вдоль линии L измерения;

- n, N - текущий номер и общее количество шагов измерений;

- Δt - интервал ультразвуковых измерений,

- tc - общее время ультразвуковых измерений (время движения судна от одного берега водоема к другому),

- Δβ(n) - текущий угол сноса судна, несущего измерительную аппаратуру, течением воды.

Численные значения порогов Δdnгр и ΔVnгр в предложенном способе выбирают адаптивно из условий текущей глубины и скорости течения в диапазоне значений Δdnгр~2-6 м, ΔVnгр~0,5-0,8 м/с. Импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих импульсов в режиме «А» производят кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями.

Введение новой последовательности указанных отличительных операций позволяет довести разрешающую способность измерений глубины водоема до миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с уменьшается абсолютная погрешность расчета скорости до менее 1 мм/с для малых скоростей течения воды за счет исключения влияния стоячих волн.

При этом кодирование начальных фаз несущей частоты и/или начальных фаз ультразвуковых зондирующих импульсов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов позволяет устранить декорреляцию сигналов, неоднозначность их считывания по дальности. Этим на периодах Т1 и Т2 (более 20 мс) повторения зондирующих ультразвуковых кодированных импульсов дополнительно обеспечивается расширение диапазона применения заявленного способа измерений для скоростей течения воды в водоеме более 1 м/с и глубиной водоема более 15 м.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 2.

На фиг. 1 представлен алгоритм измерения скорости и расхода воды в водоеме, на фиг. 2 - конструкция водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП) - измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, установленного на плоскодонной лодке с блоком ультразвуковых антенн, смонтированных на днище лодки. На чертежах обозначены:

1 - судно носитель измерительного оборудования - водоплавающий ультразвуковой профилометр (ВУП);

2 - пьезокерамическая антенна;

3 - антенный переключатель;

4 - ультразвукового передатчика зондирующих сигналов (ЗС);

5 - многоканальный приемник электрических ответных сигналов (ОС) ультразвуковой частоты с цифровым выходом;

6 - устройство цифровой обработки ответных сигналов (ОС);

7 - устройство привязки измерений к местности;

8 - блок автоматического управления измерениями;

9 - оборудование передачи данных измерений;

10 - двунаправленная интерфейсная шина сопряжения;

11 - равносторонняя пирамида (основание пьезокерамических антенн 2);

12 - цифровой генератор зондирующих сигналов;

13 - цифроаналоговый преобразователь;

14 - усилитель мощности;

15 - вычислитель глубины водоема;

16 - управляемый цифровой коррелятор;

17 - вычислитель текущей скорости и расхода воды в водоеме;

18 - движитель ВУП.

Устройство, реализующее предлагаемый способ и алгоритм (фиг. 1) ультразвукового измерения скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, раскрыто на примере водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП), разработанного заявителем. ВУП содержит установленные на борту малогабаритного плоскодонного судна 1, далее ВУП 1, блок пьезокерамических антенн 2, соединенных через антенный переключатель 3 с выходом ультразвукового передатчика 4 зондирующих сигналов (ЗС) и входами ультразвукового многоканального приемника 5 эхосигналов - ответных сигналов (ОС), отраженных от дна водоема, блок 8 автоматического управления измерениями и радиомодем 9 для передачи данных измерений.

При этом блок 8 автоматического управления измерениями и радиомодем 9 соединены по сигнальным и управляющим входам/выходам через двунаправленную интерфейсную шину 10 сопряжения с устройством 6 цифровой обработки эхосигналов и ультразвуковым передатчиком 4. Ультразвуковой приемник 5 выполнен с цифровым выходом, соединенным с первым сигнальным входом устройства 6 цифровой обработки эхосигналов, второй сигнальный вход которого соединен с устройством 7 привязки измерений к местности. Пьезокерамические антенны 2 выполнены в виде плоских антенн или фазированных антенных решеток, установленных на гранях равносторонней пирамиды 11, обращенной вершиной в сторону дна водоема. Передатчик 4 зондирующих сигналов содержит последовательно соединенные управляемый по амплитуде, частоте и фазе цифровой генератор 12 зондирующих сигналов, цифроаналоговый преобразователь 13 и усилитель мощности 14. Устройство 6 цифровой обработки эхосигналов содержит последовательно соединенные вычислитель 15 глубины водоема, управляемый цифровой коррелятор 16 и вычислитель 17 текущей скорости и расхода воды в водоеме с привязкой к географическим координатам местоположения судна 1. Блок 8 автоматического управления измерениями выполнен в виде управляющей микроЭВМ, и снабжен программой автоматического управления измерениями, сравнения текущих значений глубины и скорости воды в водоеме с пороговым значением и программами переключения вида модуляции цифрового генератора 12 и соответствующего вида корреляционной обработки в цифровом корреляторе 16 при приближении результатов сравнения к пороговому значению. Цифровой генератор 12 и цифровой коррелятор 16 выполнены с возможностью синхронного изменения режима модуляции ЗС и режима корреляционной обработки ОС соответственно в зависимости от параметров водоема в месте измерений под управлением микроЭВМ блока 8. Генератор 12 выполнен с возможностью вобуляции периодов повторения зондирующих импульсов, импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) зондирующих сигналов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов под управлением блока 8. С целью увеличения частоты повторения ЗС проводят импульсно кодовую модуляцию начальной фазы излучаемых импульсов.

Несущая частота зондирующих сигналов генератора 12 выбрана в диапазоне ультразвуковых частот от 100 до 3000 кГц. Для измерения скорости и расхода воды в водоемах на глубинах, меньших осадки судна, ультразвуковой измеритель дополнительно снабжен выдвижной пьезокерамической антенной 2. Выдвижная пьезокерамическая антенна 2 снабжена кабелем для подключения к антенному переключателю 3 измерителя. Пьезокерамическая антенна 2 снабжена беспроводной Wi-Fi связью с подключением к антенному переключателю 3 измерителя. Устройство 7 привязки измерений к местности выполнено в виде навигатора, гироскопа, магнитного компаса, акселерометра или датчиков системы GPS/ГЛОНАСС или модуля привязки по скорости, вычисленной для донного следа судна.

Согласно фиг. 1 ультразвуковое измерение скорости течения и расхода воды в открытом водоеме с помощью ВУП 1 производится следующим образом.

ВУП 1 устанавливается на поверхность водоема у одного из берегов его русла. На бортовое оборудование 2-17 ВУП 1 подают электропитание, например, от бортового аккумулятора. После выхода на рабочий режим оборудования 2-17 включается двигатель 18. При этом ВИП 1 движется по воде в направлении противоположного берега водоема. Одновременно в процессе движения ВУП 1 производится пошаговое ультразвуковое измерение параметров водоема, включая текущие глубину Δdn, скорость ΔVn воды, расход ΔWn, воды и угол Δβ(n) сноса ВУП 1 течением воды. На каждом шаге измерений генератор зондирующих сигналов (ЗС) генерирует электрические импульсы ультразвуковой частоты в диапазоне несущих частот от 300 до 3000 кГц. Эти электрические ЗС через антенный переключатель 3 передаются на блок пьезокерамических антенн 2, где преобразуются в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты и продольные ультразвуковые волны излучаются в направлении дна водоема. Ультразвуковые волны ЗС, отраженные от дна водоема, принимаются антеннами 2, преобразуются в электрические отраженные сигналы (ОС) ультразвуковой частоты и через антенный переключатель 3 передаются на ультразвуковой многоканальный приемник 5 ультразвуковых ОС, отраженных от дна водоема. В приемнике 5 электрические ОС усиливаются, преобразуются в цифровую форму и передаются на устройство 6 цифровой обработки эхосигналов. В устройстве 6 по задержке ОС относительно ЗС определяется текущая глубина dn водоема и по результатам фазовой корреляционной обработки множества ОС - текущая скорость ΔVn течения воды. Данные измерений глубины и скорости течения воды через шину 10 передаются в блок 8 управления. В блоке 8 производится сравнение численных значений глубины Δdn и скорости ΔVn течения воды с пороговыми значениями Δdnгр~2-6 м, ΔVnгр~0,5-0,8 м/с из условия (7) для выбора оптимального режима измерений и корреляционной обработки ОС с точки зрения повышения точности измерений. При большой глубине водоема (Δdn≥Δdnгр) и одновременно повышенной скорости течения воды (ΔVn≥ΔVnгр) блок 8 управления автоматически включает режим «А» измерений, иначе - режим «Б». В режиме «А» (фиг. 1) в устройстве 6, включенном в режиме «А», проводится внутриимпульсная корреляционная обработка последовательности одночастотных ИКМ-импульсов с интервалом 0,04<ΔT1<0,2 мс и производится (под программным управлением блока 8) высокоточное измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔVn течения воды в корреляторе 16 по рассчитанному коэффициенту корреляции ρΔT1.

При пониженной текущей глубине водоема (Δdn<Δdnгр) и/или малой текущей скорости течения воды (ΔVn<ΔVnгр) автоматически включается режим «Б» измерений (фиг. 1) по условию (7). В режиме «Б» в устройстве 6 проводится междуимпульсная корреляционная обработка последовательности одночастотных ИКМ-импульсов с разностью периодов повторения ΔТ2 и производится (под программным управлением блока 8) расчет коэффициента корреляции ρΔT2 отраженных ИКМ - сигналов, при помощи которого производится измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔVn течения воды.

Далее рассчитываются численные значения аргументов коэффициентов корреляции arg(ρΔTi) по данным ρΔТ1 или ρΔТ2. По найденному значению аргумента arg(ρΔTi) коэффициента взаимной корреляции из выражения (8) определяют текущую радиальную скорость ΔVn течения воды и текущий расход ΔW воды из выражения (10).

Независимо от применяемого режима корреляционной обработки ОС измерение угла Δβ(n) сноса ВУП 1 течением воды на каждом шаге измерений производится навигационной аппаратурой устройства 7 привязки измерений к местности. В качестве навигационной аппаратуры может быть использован гироскоп, магнитный компас, акселерометр, датчик системы GPS/TJIOHACC или скорость, вычисленная для донного следа судна.

На очередном шаге измерений (n=n+1, n≤N) процесс измерений и запоминание текущих значений угла Δβ(n) сноса измерений, радиальной скорости ΔVn течения воды и расхода ΔW воды в открытом водоеме повторяется.

По прибытию ВУП 1 на противоположный берег (n>N) процесс текущих измерений параметров водоема в процессе движения ВУП 1 завершается. Блок 8 считывает данные пошаговых измерений, производит их интегрирование и рассчитывает параметры русла водоема, включая среднюю скорость V, расход W проточной воды, длину L и площадь S поперечного профиля водоема из представленных выше выражений (9-13). Результаты пошаговых и конечных измерений передаются блоком 8 через шину 10 и радиомодем 9 конечному потребителю параметров русла водоема.

При невозможности подхода ВУП 1 к противоположному берегу из-за глубины водоема, меньшей осадки ВУП 1, измерение конечных параметров водоема осуществляется выдвижной пьезокерамической антенной 2. Передача данных измерений в этом случае осуществляется через проводную или беспроводную линию связи, подсоединенную к антенному переключателю 3 измерителя.

Предложенный способ измерений параметров открытого водоема реализован в опытном образце ультразвукового измерителя параметров водоема. Способ позволил довести разрешающую способность измерений глубины водоема до нескольких миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с уменьшилась абсолютная ошибка расчета скорости движения воды до 1-2 мм/с для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн.

Источники информации

1. US 5531124, 02.07.1996.

2. JP 2676321, 25.07.1998.

3. Ультразвуковой расходомер UF-2100С, фирма Ultraflux Со.

4. DE 19722140, 12.11.1997.

5. RU 2193208, 20.07.2001.

6. RU 2045002, 27.09.1995.

7. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. -М.: Радиотехника, 2007.

1. Ультразвуковой способ измерения скорости и расхода воды в открытых водоемах, заключающийся в пошаговом с временным интервалом Δt ультразвуковом измерений скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта судна, в вертикальном зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами и регистрации, на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды, вычисление текущей глубины dn водоема, и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от дна водоема относительно частоты ультразвуковых зондирующих сигналов (ЗС) соответственно, интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости V течения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе интегрирования и усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и Δdn, отличающийся тем, что после каждого измерения текущей глубины dn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды дополнительно проводят сравнение измеренных значений величин Δdn и ΔVn с пороговыми значениями Δdnгр и ΔVnгр, в зависимости от знака и величины результатов сравнения режим измерения, параметры зондирующих ультразвуковых импульсов (зондирующих сигналов), их вид модуляции и вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов (ОС) выбирают из условий:

- - Режим «А», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов + импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих сигналов (ЗС) + внутриимпульсную корреляционную

обработку ответных сигналов (ОС) с временным интервалом внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс;
- Иное - Режим «Б», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов с разницей периодов повторений ΔТ2 + междупериодную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС),

причем численное значение величины Δβ(n) сноса судна течением воды определяют на основе навигационных измерений пространственного положения судна, в каждом режиме измерений производят раздельное накопление и корреляционную обработку отраженных эхосигналов, в режиме «А» измеряют внутриимпульсный коэффициент корреляции ρΔТ1 отраженных сигналов и проводят расчет аргумента arg(ρΔT1), в режиме «Б» - проводят расчет междупериодного коэффициента корреляции ρΔТ2, его аргумента arg(ρΔT2), а текущую радиальную скорость ΔVn течения воды определяют по выбранному согласно режиму «А» или «Б» значению аргумента arg(ρΔTi) из условия

ΔVn=(λ/4·π·ΔTi)·arg (ρΔTi),

где

- ΔTi - временной интервал внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс для метода «А» или разность периодов повторений ультразвуковых импульсов ΔТ2 в режиме «Б»;

- λ - длина волны ультразвукового излучения;

в процессе интегрировании результатов текущих измерений средние скорости V, расхода W проточной воды, длины L и площади S поперечного профиля водоема вычисляют из выражений:

N=tc/Δt,

где

- ΔVn, Δdn, Δβ, ΔWn, - текущие значения скорости ΔVn воды, толщины Δdn водяного слоя (текущая глубина водоема), угла сноса линии измерений, удельного расхода ΔWn проточной воды,

- ΔLn, Δt - длина пространственного и временного шага вдоль линии L измерения;

- n, N - текущий номер и общее количество шагов измерений;

- Δt - интервал ультразвуковых измерений,

- tc - общее время ультразвуковых измерений (время движения судна от одного берега водоема к другому),

- Δβ(n) - текущий угол сноса судна, несущего измерительную аппаратуру, течением воды.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что численные значения порогов Δdnгр и ΔVnгр выбирают адаптивно из условий текущей глубины и скорости течения в диапазоне значений Δdnгр ~ 2-6 м, ΔVnгр ~ 0,5-0,8 м/с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсно кодовую модуляцию (ИКМ) несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих импульсов производят кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству для ультразвукового измерения расхода накладным методом по методу измерения времени прохождения. Для соответствующего изобретению способа ультразвукового измерения расхода по методу измерения времени прохождения на измерительной трубе расположены по меньшей мере четыре акустических преобразователя, которые с помощью устройства управления управляются таким образом, что измерение расхода осуществляется попеременно друг за другом в X-образной компоновке и отражательной компоновке.

Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к ультразвуковым расходомерам с временем прохождения. Согласно изобретению предлагается способ определения скорости потока жидкости в трубопроводе для текучей среды.

Настоящее изобретение относится к расходомерам и, в частности, к ультразвуковым расходомерам с временем прохождения. Согласно изобретению предлагается способ определения скорости потока жидкости в трубопроводе для текучей среды.

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения.

Изобретение относится к методам определения параметров волнения водной поверхности и может быть использовано в метеорологии и океанологии для мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана.

Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно предназначено для использования в системах контроля и измерения скорости и расхода жидких и газообразных продуктов, транспортируемых по трубопроводам.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в горной промышленности для определения средней по сечению выработки скорости газовоздушного потока.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости и направления потока жидкости или газа. .

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода проточной воды в открытом водоеме. Предложенный способ включает последовательность следующих операций: - пошаговое ультразвуковое измерение скорости воды в поперечном сечении русла водоема на основе зондирования толщи воды с борта водоплавающего измерителя, например, установленного на радиоуправляемой лодке; - регистрация на каждом шаге измерений текущей величины горизонтального угла сноса измерителя течением воды по данным навигационных измерений, а также - текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов; - сравнение текущей глубины водоема и радиальной скорости течения воды с пороговыми значениями для выбора рационального режима измерений с точки зрения повышения точности измерений параметров водоема; - выбор в зависимости от знака и величины результатов сравнения рационального режима измерений, включающего рациональный выбор параметров зондирующих ультразвуковых импульсов, их вид модуляции и соответствующий вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов; - интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости течения воды и расхода воды в поперечном сечении русла водоема на основе найденных значений текущей глубины водоема, радиальной скорости течения воды и угла сноса ультразвукового измерителя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх