RU112770U1

RU112770U1 - SYSTEM FOR DETERMINING THE CURRENT SPEED PROFILE

Info

Publication number: RU112770U1
Application number: RU2011138891/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Исаакович Юсупов; Александр Сергеевич Саломатин
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-01-20

Abstract

Система для определения профиля скорости течения, включающая блок управления, снабженный системой обработки и визуализации сигналов, генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь и четырехканальный датчик акустических сигналов, при этом вход генератора электрических импульсов соединен с блоком управления, выход - с входом электроакустического преобразователя, а четырехканальный датчик акустических сигналов соединен через предусилитель с системой обработки и визуализации сигналов блока управления, отличающаяся тем, что система дополнительно снабжена генератором пузырьков, соединенным с блоком управления и снабженным средством выпуска пузырьков в жидкость, при этом генератор пузырьков, генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь, четырехканальный датчик акустических сигналов и предусилитель размещены в герметичном корпусе. A system for determining the current velocity profile, including a control unit equipped with a signal processing and visualization system, an electrical pulse generator, an electroacoustic transducer and a four-channel acoustic signal sensor, while the input of the electrical pulse generator is connected to the control unit, the output is connected to the input of the electroacoustic transducer, and the four-channel the sensor of acoustic signals is connected through a preamplifier with a system for processing and visualization of signals of the control unit, characterized in that the system is additionally equipped with a bubble generator connected to the control unit and equipped with a means for releasing bubbles into the liquid, while the bubble generator, generator of electrical impulses, electroacoustic transducer, four-channel the sensor of acoustic signals and the preamplifier are located in a sealed case.

Description

Полезная модель относится к технике измерения скорости текучих сред и может быть использована для измерения характеристик вертикального распределения и временной изменчивости скорости течения водной среды в океанах, морях, реках, озерах и лабораторных установках и может быть использовано, например, в геофизике.The utility model relates to techniques for measuring the velocity of fluids and can be used to measure the characteristics of the vertical distribution and temporal variability of the velocity of the aquatic environment in the oceans, seas, rivers, lakes, and laboratory facilities and can be used, for example, in geophysics.

Хорошо известны устройства для определения скорости течения в океане, в которых датчиком скорости течения служит вращающаяся на оси крыльчатка. Все эти приборы основаны на измерении числа оборотов крыльчатки за определенный промежуток времени. Это делается с помощью механического (вертушка Экмана) или электрического (измеритель течений Робертса) счетчика. Недостатком таких устройств является наличие вращающейся крыльчатки и то, что для определения профиля течения необходимо опускать измерители с помощью лебедки, что требует больших затрат времени и средств. Кроме того, сами измерители из-за своих достаточно больших размеров вносят возмущения в измеряемую среду (http://ozerobaikal. info/baikal/baikal_vopros_otvet/183-metody-issledovanija-pribory.html).Well-known devices for determining the speed of the current in the ocean, in which the impeller rotates on the axis serves as a sensor of the speed of the current. All these devices are based on measuring the speed of the impeller for a certain period of time. This is done using a mechanical (Ekman turntable) or an electric (Roberts current meter) counter. The disadvantage of such devices is the presence of a rotating impeller and the fact that to determine the flow profile it is necessary to lower the meters with a winch, which requires a lot of time and money. In addition, the meters themselves, due to their sufficiently large sizes, introduce disturbances in the medium being measured (http: // ozerobaikal. Info / baikal / baikal_vopros_otvet / 183-metody-issledovanija-pribory.html).

Известны измерители течения без крыльчатки, работающие на доплеровском принципе. Например, доплеровский акустический измеритель течения RCM-9 (Aanderaa Data Instruments AS, США, позволяет измерять скорость в диапазоне от 0 до 300 см/с с погрешностью 0.15 см/с по величине и ±5° по направлению. Акустический преобразователь измерителя излучает непрерывный сигнал в измеряемую среду и принимает рассеянный в обратном направлении сигнал. Локальная скорость вблизи измерителя определяется по величине доплеровского сдвига частоты. Когда измеритель висит на горизонте, то измеряет скорость только на этом горизонте в области прибора. Недостатком известного устройства является то, что для определения профиля течения измеритель необходимо опускать с помощью лебедки, что требует больших затрат времени и средств. Для получения стандартного океанологического профиля до глубины 300 м требуется около 10 мин. Кроме того, таким устройством скорости течения на различных горизонтах определяются не синхронно, что в случае временной изменчивости поля скорости течения затрудняет интерпретацию данных. Помимо этого, известный измеритель из-за своего большего размеров вносит возмущение в измеряемую среду.Known flow meters without impeller, operating on the Doppler principle. For example, the RCM-9 Doppler acoustic flow meter (Aanderaa Data Instruments AS, USA) allows measuring speed in the range from 0 to 300 cm / s with an accuracy of 0.15 cm / s in magnitude and ± 5 ° in direction. The acoustic transducer of the meter emits a continuous signal into the measured medium and receives the signal scattered in the opposite direction. The local speed near the meter is determined by the magnitude of the Doppler frequency shift. When the meter is hanging on the horizon, it measures the speed only on this horizon in the instrument area. A known device is that to determine the flow profile, the meter must be lowered using a winch, which requires a lot of time and money.To obtain a standard oceanological profile to a depth of 300 m, about 10 minutes are required.In addition, with such a device, the flow rates at different horizons are determined not synchronously, which in the case of temporary variability of the flow velocity field complicates the interpretation of the data. In addition, the known meter, due to its larger size, introduces disturbance into the medium being measured.

Этих недостатков лишены доплеровские акустические измерители профилей течений. Доплеровский акустический измеритель течения Workhorse Quartermaster (Teledyne RD Instruments, США) один раз в секунду излучает сигнал с частотой 150 кГц в виде четырех узких пучков в различных направлениях, и принимает рассеянный от неоднородностей водной среды сигнал, частота которого сдвинута относительно частоты излучения на величину пропорциональную радиальной скорости рассеивающей области. Данные, поступающие от нескольких излучателей, работающих в режиме узконаправленных пучков, комбинируются для оценки профиля горизонтальной скорости и направления течения. Известное устройство позволяет измерять профиль течения на расстоянии до 300 м от излучателей в диапазоне от 0 до 5 м/с с точностью ±5 мм/с. Измерение одного профиля данным устройством происходит практически мгновенно. Недостатками известного устройства является его высокая стоимость, практическая невозможность определения профиля течения на расстояниях, превышающих несколько сотен метров от измерителя и требование наличия достаточно большого количества рассеивателей дрейфующих в водной среде.Doppler acoustic flow profile meters are free of these drawbacks. The Workhorse Quartermaster Doppler acoustic flow meter (Teledyne RD Instruments, USA) emits a signal with a frequency of 150 kHz in the form of four narrow beams in different directions once a second and receives a signal scattered from the inhomogeneities of the aqueous medium, the frequency of which is proportional to the radiation frequency radial velocity of the scattering region. Data from several emitters operating in narrow beam mode is combined to evaluate the horizontal velocity profile and flow direction. The known device allows you to measure the flow profile at a distance of 300 m from the emitters in the range from 0 to 5 m / s with an accuracy of ± 5 mm / s. Measurement of one profile with this device occurs almost instantly. The disadvantages of the known device are its high cost, the practical impossibility of determining the flow profile at distances exceeding several hundred meters from the meter and the requirement for a sufficiently large number of diffusers drifting in the aquatic environment.

Известно устройство для определения скорости течения, основанное на излучении и приеме акустических сигналов (Саломатин А.С., Шевцов В.П. Юсупов В.И. Океанологические исследования с помощью эхолотов. Опыт двадцатилетнего использования // Доклады 9-ой школы-семинара акад. Л.М.Бреховских. Москва, 2002, С.250-253), сконструированное на базе судового эхолота ELAC (ФРГ). Известное устройство позволяет строить профиль течения в месте нахождения естественного «газового факела», где из относительно уединенного источника, расположенного на дне водоема, поднимаются газовые пузырьки. Устройство состоит из генератора электрических импульсов, сигнал, с выхода которого поступает на вход-выход электроакустического преобразователя. С выхода преобразователя сигнал поступает на вход усилителя и далее усиленный сигнал поступает на вход компьютера, где визуализируется на экране в виде эхограммы. Электрический импульс, поступающий на вход электроакустического преобразователя, преобразуется в звуковую волну, которая распространяется в сторону дна. Звуковая волна отражается от пузырьков и возвращается в обратном направлении к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал. Усилитель усиливает сигнал, который визуализируется на экране компьютера. На экране появляется изображение пузырьков, рассеивавших в обратном направлении звук. Процесс повторяется раз в одну или несколько секунд. При прохождении судна над источником газовых пузырьков по линии течения (по течению или против него) на экране компьютера появляется изображение «газового факела» - области повышенной концентрации всплывающих пузырьков в виде наклонной области повышенного рассеяния в водной толще.Скорость течения на различных горизонтах определяется по углу наклона «газового факела» в пространстве относительно вертикали.A device for determining the flow velocity based on the emission and reception of acoustic signals (Salomatin A.S., Shevtsov V.P. Yusupov V.I. Oceanological research using echo sounders. Experience of twenty years of use // Reports of the 9th academic seminar-school L. M. Brekhovskikh. Moscow, 2002, S.250-253), designed on the basis of the ship's echo sounder ELAC (Germany). The known device allows you to build a flow profile at the location of the natural "gas torch", where from a relatively secluded source located at the bottom of the reservoir, gas bubbles rise. The device consists of an electric pulse generator, the signal from the output of which is fed to the input-output of the electro-acoustic transducer. From the output of the converter, the signal goes to the input of the amplifier and then the amplified signal goes to the input of the computer, where it is visualized on the screen in the form of an echogram. The electric pulse supplied to the input of the electro-acoustic transducer is converted into a sound wave, which propagates towards the bottom. The sound wave is reflected from the bubbles and returns in the opposite direction to the electro-acoustic transducer, which converts it into an electrical signal. An amplifier amplifies a signal that is visualized on a computer screen. An image of bubbles appearing on the screen, scattering sound in the opposite direction. The process is repeated once every one or several seconds. When the vessel passes over the source of gas bubbles along the flow line (with or against the stream), the image of a “gas plume” appears on the computer screen - an area of increased concentration of pop-up bubbles in the form of an inclined area of increased scattering in the water column. The flow velocity at different horizons is determined by the angle the inclination of the "gas torch" in space relative to the vertical.

Недостатком известного устройства является то, что с его помощью можно определять скорости течения на различных горизонтах только в тех местах, где расположен естественный «газовый факел». Помимо этого, для получения трехмерного профиля скорости течения необходимо выполнить как минимум два прохода над «газовым факелом» в различных (желательно перпендикулярных) направлениях, что требует больших затрат времени и средств.A disadvantage of the known device is that it can be used to determine the flow velocity at different horizons only in those places where the natural "gas torch" is located. In addition, to obtain a three-dimensional flow velocity profile, it is necessary to perform at least two passes over the “gas plume” in different (preferably perpendicular) directions, which requires a lot of time and money.

Известно устройство, принятое нами за прототип, эхолот EY500 (Simrad, Норвегия), сконструированное на базе так называемой системы расщепленный луч (split-beam системы), которое предназначено для визуализации и определения положения отдельных рассеивателей в водной среде, и позволяет измерять профиль течения в водоеме при установке устройства на судне непосредственно над существующим «газовым факелом». Устройство состоит из блока управления с системой обработки и визуализации сигналов, соединенного с генератором электрических импульсов, выход которого соединен с входом электроакустического преобразователя, четырехканального датчика акустических сигналов, соединенного через предусилитель с системой обработки и визуализации сигналов блока управления. Известное устройство работает следующим образом. Сигнал с блока управления запускает генератор электрических импульсов. Генератор электрических импульсов периодически выдает импульсы определенной частоты, которые поступают на электроакустический преобразователь, где преобразуются в акустические импульсы, которые излучаются в воду. Рассеянный в обратном направлении от отдельных рассеивателей, в том числе и от пузырьков «газовых факелов», сигнал поступает на четырехканальный датчик акустических сигналов, где преобразуется в электрический сигнал, который после усиления предусилителем поступает на вход системы обработки и визуализации сигналов в блоке управления. Система обработки и визуализации сигналов выделяет сигналы, пришедшие от отдельных рассеивателей и с учетом времени прихода и фаз сигналов определяет положение отдельных рассеивателей в пространстве. Такими рассеивателями могут быть отдельные рыбы и газовые пузырьки. На экране системы обработки и визуализации сигналов такой рассеиватель визуализируется в трехмерном пространстве. Скорость течения на горизонте нахождения данного рассеивателя определяется по скорости смещения рассеивателя в пространстве. В случае определения профиля течения по существующему «газовому факелу» такими отдельными рассеивателями являются всплывающие газовые пузырьки «газового факела». Таким образом, на экране системы обработки и визуализации сигналов существующий «газовый факел» визуализируется в трехмерном пространстве. Профиль скорости течения определяется по смещению всплывающих пузырьков в горизонтальном направлении.A device that we have adopted as a prototype is known, the EY500 echo sounder (Simrad, Norway), designed on the basis of the so-called split-beam system, which is designed to visualize and determine the position of individual diffusers in an aqueous medium, and allows to measure the flow profile in pond when installing the device on the ship directly above the existing "gas torch". The device consists of a control unit with a signal processing and visualization system connected to an electric pulse generator, the output of which is connected to the input of an electro-acoustic transducer, a four-channel acoustic signal sensor connected through a preamplifier to a signal processing and visualization system of the control unit. The known device operates as follows. The signal from the control unit starts the electric pulse generator. The electric pulse generator periodically generates pulses of a certain frequency, which are fed to the electro-acoustic transducer, where they are converted into acoustic pulses that are radiated into water. Scattered in the opposite direction from individual scatterers, including “gas torch” bubbles, the signal is fed to a four-channel acoustic signal sensor, where it is converted into an electric signal, which, after amplification by the preamplifier, is fed to the input of the signal processing and visualization system in the control unit. The signal processing and visualization system identifies signals coming from individual scatterers and, taking into account the arrival time and signal phases, determines the position of individual scatterers in space. These diffusers can be individual fish and gas bubbles. On the screen of the signal processing and visualization system, such a diffuser is visualized in three-dimensional space. The flow velocity at the horizon of a given diffuser is determined by the speed of the diffuser displacement in space. In the case of determining the flow profile from an existing “gas plume”, such separate diffusers are pop-up gas bubbles of a “gas plume”. Thus, on the screen of the signal processing and visualization system, the existing “gas torch” is visualized in three-dimensional space. The flow velocity profile is determined by the displacement of the pop-up bubbles in the horizontal direction.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, поскольку оно позволяет измерять скорости течения лишь на тех горизонтах, на которых присутствуют рассеиватели. Трехмерный профиль скорости течения с помощью известного устройства можно измерить только в районах «газовых факелов».A disadvantage of the known device is its low efficiency, because it allows you to measure the speed of the stream only at those horizons on which there are scatterers. A three-dimensional flow velocity profile using a known device can only be measured in areas of "gas flares".

Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности определения профиля скорости течения.The objective of the claimed utility model is to increase the efficiency of determining the profile of the flow velocity.

Технический результат предлагаемого решения - определение профиля скорости течения в заданном районе на любой требуемом горизонте независимо от присутствия естественных рассеивателей.The technical result of the proposed solution is the determination of the flow velocity profile in a given area on any desired horizon, regardless of the presence of natural scatterers.

Поставленная задача решается системой для определения профиля скорости течения, включающей блок управления с системой обработки и визуализации сигналов, и соединенные с ним и расположенные в герметичном корпусе генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь, четырехканальный датчик акустических сигналов и генератор пузырьков, при этом выход генератора электрических импульсов соединен с входом электроакустического преобразователя, четырехканальный датчик акустических сигналов соединен с блоком управления через предусилитель, а генератор пузырьков снабжен средством выпуска пузырьков в жидкость.The problem is solved by a system for determining the flow velocity profile, including a control unit with a signal processing and visualization system, and an electric pulse generator, an electro-acoustic transducer, a four-channel acoustic signal sensor and a bubble generator connected to it and located in a sealed housing, while the output of the electric pulse generator connected to the input of the electro-acoustic transducer, a four-channel sensor of acoustic signals is connected to the control unit through a preamplifier and bubble generator is provided with means to release bubbles into the liquid.

На фиг. приведена схема заявляемой системы, где 1 - блок управления с системой обработки и визуализации сигналов, 2 - генератор электрических импульсов, 3 - электроакустический преобразователь, 4 - четырехканальный датчик акустических сигналов, 5 - предусилитель, 6 - генератор пузырьков.In FIG. The diagram of the claimed system is shown, where 1 is a control unit with a signal processing and visualization system, 2 is an electric pulse generator, 3 is an electro-acoustic transducer, 4 is a four-channel sensor of acoustic signals, 5 is a preamplifier, 6 is a bubble generator.

Система для определения профиля скорости течения работает следующим образом. Предварительно герметичный корпус с измерительной аппаратурой устанавливают в исследуемом месте так, чтобы акустические импульсы излучались в воду вертикально вверх. По сигналу с блока управления (1) генератор (6) пузырьков через систему выпуска пузырьков (на фиг. не показана) периодически выпускает в воду пузырьки, которые всплывают вверх под действием силы тяжести и смещаются при этом в горизонтальном направлении за счет существующих течений. Генератор (2) электрических импульсов по сигналу с блока управления (1) периодически выдает импульсы определенной частоты, которые поступают на электроакустический преобразователь (3), где преобразуются в акустические импульсы, которые излучаются в воду. Рассеянный в обратном направлении от всплывающих пузырьков сигнал поступает на четырехканальный датчик (4) акустических сигналов, где преобразуется в электрический сигнал, который после усиления предусилителем (5) поступает на вход системы обработки и визуализации сигналов блока управления (1). Система обработки и визуализации сигналов блока (1) выделяет сигналы, пришедшие от отдельных пузырьков и с учетом времени прихода и фаз сигналов определяет их положение в пространстве. Таким образом, на экране блока управления (1) все всплывающие пузырьки визуализируются в трехмерном пространстве. Профиль скорости течения определяется по смещению всплывающих пузырьков в горизонтальном направлении.The system for determining the profile of the flow velocity works as follows. A pre-sealed enclosure with measuring equipment is installed in the test site so that acoustic pulses are radiated vertically upward into the water. By the signal from the control unit (1), the bubble generator (6) through the bubble release system (not shown in FIG.) Periodically releases bubbles into the water that float up due to gravity and are displaced in the horizontal direction due to existing flows. The generator (2) of electrical pulses by a signal from the control unit (1) periodically provides pulses of a certain frequency, which are fed to the electro-acoustic transducer (3), where they are converted into acoustic pulses that are emitted into water. The signal scattered in the opposite direction from the pop-up bubbles is fed to a four-channel acoustic signal sensor (4), where it is converted into an electric signal, which, after amplification by the preamplifier (5), is fed to the input of the signal processing and visualization system of the control unit (1). The signal processing and visualization system of block (1) identifies the signals coming from individual bubbles and, taking into account the arrival time and signal phases, determines their position in space. Thus, on the screen of the control unit (1), all the pop-up bubbles are visualized in three-dimensional space. The flow velocity profile is determined by the displacement of the pop-up bubbles in the horizontal direction.

Предложенная конструкция системы определения профиля скорости течения за счет использования в ней генератора пузырьков, соединенного с блоком управления, позволяет повысить эффективность определения профиля скорости течения, поскольку позволяет произвести требуемые измерение в любом месте, а не только в том, где находятся естественные рассеиватели. Предложенная система позволяет измерять профиль течения от горизонта погружения и выше, до горизонта пока всплывающие пузырьки находятся в диаграмме направленности электроакустического преобразователя. Герметичный блок системы может быть установлен на дне или на определенном горизонте с помощью, например, заякоренной системы или с помощью троса с борта судна.The proposed design of the system for determining the profile of the flow velocity due to the use of a bubble generator connected to the control unit in it makes it possible to increase the efficiency of determining the profile of the flow velocity, since it allows the required measurement to be made in any place, and not just where the natural diffusers are located. The proposed system allows you to measure the flow profile from the immersion horizon and above, to the horizon while the pop-up bubbles are in the radiation pattern of the electro-acoustic transducer. The pressurized system unit can be installed at the bottom or at a certain horizon using, for example, an anchored system or using a cable from the side of the vessel.

Конкретное аппаратурное оформление входящих компонентов системы, а именно, блок управления с системой обработки и визуализации сигналов, генератор электрических импульсов, электроакустический преобразователь, четырехканальный датчик акустических сигналов, предусилитель, являются стандартными и их характеристики зависят от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия. Например, для определения профиля скорости течения в больших водоемах (озерах, реках, морях, океанах) система может включать стандартный эхолот на базе split-beam системы и генератора пузырьков. В качестве такого стандартного эхолота может использоваться, например, прототип - эхолот EY500 (Simrad, Норвегия). Генератор пузырьков может быть выполнен на базе, например, воздушного компрессора (мини компрессор HIBLOW (http://www.los-ss.ru/page.php?4), работа которого основана на принципе электромагнитной вибрации), выход которого через трубку соединен с соплом нужного диаметра (от 0.3 до 1 мм). Для лабораторных установок четыреханальный датчик split-beam системы может быть сконструирована из пьезокерамических дисков, а миниатюрный генератор пузырьков может быть изготовлен, например, на базе микрокопрессора Rena Air 50 (http://www.aquariumhome.ru/shop/212/4259.htm) или выполнен в виде двух близкорасположенных электродов (порядка миллиметра и меньше), соединенных с источником питания. В последнем случае пузырьки возникают из-за известного специалистам электролиза воды.The specific hardware design of the incoming system components, namely, a control unit with a signal processing and visualization system, an electric pulse generator, an electro-acoustic transducer, a four-channel acoustic signal sensor, and a preamplifier, are standard and their characteristics depend on the measurement task, the required accuracy, resolution, performance. For example, to determine the flow velocity profile in large bodies of water (lakes, rivers, seas, oceans), the system may include a standard echo sounder based on a split-beam system and a bubble generator. As such a standard echo sounder can be used, for example, a prototype - the EY500 echo sounder (Simrad, Norway). The bubble generator can be made on the basis of, for example, an air compressor (HIBLOW mini compressor (http://www.los-ss.ru/page.php?4), whose operation is based on the principle of electromagnetic vibration), the output of which is connected through a tube with a nozzle of the desired diameter (from 0.3 to 1 mm). For laboratory installations, the four-channel split-beam sensor of the system can be constructed from piezoceramic discs, and the miniature bubble generator can be made, for example, based on the Rena Air 50 microcompressor (http://www.aquariumhome.ru/shop/212/4259.htm ) or made in the form of two closely spaced electrodes (of the order of a millimeter or less) connected to a power source. In the latter case, bubbles arise due to water electrolysis known to those skilled in the art.

Таким образом, за счет введения генератора пузырьков система для определения профиля скорости течения позволяет произвести измерение профиля течения, в том числе и трехмерного профиля, в любом месте, а не только в том, где находятся естественные рассеиватели, что приводит к повышению эффективности работы системы.Thus, due to the introduction of a bubble generator, the system for determining the profile of the flow velocity allows the measurement of the flow profile, including the three-dimensional profile, in any place, and not just where the natural diffusers are located, which leads to an increase in the efficiency of the system.

Claims

A system for determining the flow velocity profile, including a control unit equipped with a signal processing and visualization system, an electric pulse generator, an electro-acoustic transducer and a four-channel acoustic signal sensor, the input of the electric pulse generator being connected to the control unit, the output to the input of the electro-acoustic transducer, and a four-channel the acoustic signal sensor is connected through a preamplifier to the signal processing and visualization system of the control unit, excellent The system is additionally equipped with a bubble generator connected to the control unit and provided with a means for releasing bubbles into the liquid, while the bubble generator, electric pulse generator, electro-acoustic transducer, four-channel acoustic signal sensor and preamplifier are placed in a sealed enclosure.