Бортовой ультразвуковой измеритель скорости течения и расхода воды в открытом водоеме

Полезная модель относится к ультразвуковым устройствам измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, например в русле реки или водоканала.
Известны ультразвуковые устройства /1-6/ измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, основанные на ультразвуковом зондировании толщи воды, приеме отраженных сигналов (ОС), измерении в них допплеровских сдвигов несущих частот и фаз ОС, пропорциональных скорости течения воды, и вычисление на их основе текущих параметров водоема.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по назначению и технической сущности относится бортовой ультразвуковой измеритель /6/ для измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах.
Известный бортовой ультразвуковой измеритель скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме содержит цифровой блок обработки сигналов, соединенный по зондирующим и отраженным сигналам с антенным блоком ультразвуковых преобразователей.
Причем цифровой блок обработки сигналов включает программно взаимосвязанные между собой цифровые приемопередатчики ультразвуковых волн, допплеровские фильтры, эхолот, измеритель скорости звука в воде, триггер, измеритель угла сноса судна течением воды, умножитель, формирователь сигналов коррекции, счетчик глубины, узел обработки допплеровских сигналов, делители, интегрирующий счетчик, а также - индикатор.
Антенный блок содержит гидроакустический преобразователь эхолота и четыре гидроакустических преобразователя, ориентированные попарно в сторону дна реки и под острым углом к вертикальной плоскости. Он установлен на рыбовидном грузе для буксировки с помощью троса поперек течения водоема, и соединен электрическим кабелем с бортовой аппаратурой, размещенной на палубе буксировочного судна. На антенном блоке дополнительно установлены гидрометрическая вертушка и датчик скорости звука в воде, соединенные по сигнальным выходам с соответствующей бортовой аппаратурой блока обработки сигналов. Датчик скорости звука выполнен в виде цилиндра с прорезями, в котором размещены пьезоэлемент и отражатель.
Рыбовидный груз - носитель антенн и датчиков измерителя - подвешен в воде на гибком тросе лебедки выносной стрелы судна и снабжен водяным стабилизатором положения в форме рыбьего хвоста.
Недостатком известного бортового ультразвукового измерителя /6/ для измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах является пониженная точность измерений средней скорости проточной воды в водоеме, связанная с пониженной разрешающей способностью измерений, основанных на оценке доплеровской частоты в принимаемом спектре отраженных сигналов, с пониженной точностью измерений сноса судна на основе регистрации скорости поверхностного течения воды относительно поверхности судна гидрометрической вертушкой. Другим недостатком известного измерителя является невозможность проведения измерений при малых глубинах водоемов из-за недостаточной разрешающей способности эхолота и повышенной осадке судна, несущего подъемную стрелу и погружаемый в воду рыбовидный груз с антенным блоком и датчиками измерительной аппаратуры.
Задачей и техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений скорости течения и расхода воды в открытом водоеме.
Сущность полезной модели.
Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что бортовой ультразвуковой измеритель скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме содержит цифровой блок обработки сигналов, соединенный по зондирующим и отраженным сигналам с антенным блоком ультразвуковых преобразователей.
Согласно полезной модели ультразвуковой измеритель выполнен в виде радиоуправляемого малогабаритного измерительного судна с движителем 18. На борту судна установлен цифровой блок 1 обработки сигналов, а на днище судна - антенный блок 11 ультразвуковых преобразователей. Цифровой блок 1 обработки сигналов, установленный на борту судна, содержит установленные на двунаправленной интерфейсной шине 10 сопряжения блок 8 автоматического управления измерениями, ультразвуковой передатчик 4 сложных зондирующих сигналов (ЗС) с аналоговым выходом, многоканальный приемник 5 ответных сигналов (ОС) с аналоговым входом и цифровым выходом, устройство 6 цифровой обработки ОС, устройство 7 привязки измерений к местности и радиомодем 9. Выход передатчика 4 и вход приемника 5 через антенный переключатель 3 соединен с антенным блоком 11 ультразвуковых преобразователей. Антенный блок 11 выполнен в форме равносторонней пирамиды 11, обращенной вершиной в сторону дна водоема. На боковых сторонах пирамиды 11 установлены ультразвуковые преобразователи 2 в виде плоских пьезокерамических антенн или ультразвуковых фазированных антенных решеток. Устройство 7 привязки измерений к местности выполнено в виде навигатора, гироскопа, магнитного компаса, акселерометра или датчиков системы GPS/ГЛОНАСС. Передатчик 4 ЗС и устройство 6 цифровой обработки ОС выполнены соответственно с возможностью генерации ЗС с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и возможностью корреляционной обработки ОС в диапазоне частот от 100 до 3000 кГц, вобуляцией несущей частоты и/или начальной фазы ЗС кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов. Для измерений скорости и расхода воды в водоемах на глубинах меньших осадки судна он дополнительно снабжен выдвижной или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2.
Такое конструктивное выполнение бортового ультразвукового измерителя скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме позволяет на каждом шаге измерений проводить рациональный выбор режима работы измерителя в зависимости от текущей глубины и скорости течения воды. При этом кодирование начальных фаз несущей частоты ультразвуковых ЗС зондирующих импульсов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов позволяет устранить декорелляцию сигналов, неоднозначность их считывания по дальности. В результате этого разрешающая способность измерений текущей глубины водоема доводится до нескольких миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с до 1-2 мм/с уменьшается абсолютная ошибка расчета текущей скорости для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн. Соответственно увеличивается точность измерения скорости течения и расхода воды в водоеме. Расширяется диапазон применения заявленного измерителя для скоростей течения воды в водоеме более 1 м/с и глубиной водоема более 15 м.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлена конструкция водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП) - измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, установленного на плоскодонной радиоуправляемой лодке с блоком ультразвуковых ромбических антенн, смонтированных на днище лодки, на фиг. 2 - вид блока антенн со стороны его подвески к днищу судна, а на фиг. 3 - алгоритм измерения скорости и расхода воды в водоеме с помощью указанного ВУП.
На фигурах обозначены:
1 - судно носитель измерительного оборудования - водоплавающий ультразвуковой профилометр (ВУП);
2 - ультразвуковой преобразователь (пьезокерамическая антенна);
3 - антенный переключатель;
4 - ультразвуковой передатчик 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 - радиомодем для передачи данных измерений;
10 - двунаправленная интерфейсная шина сопряжения;
11 - равносторонняя пирамида (основание блока 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.
Конструкция бортового ультразвукового измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме раскрыта на примере дистанционно управляемого водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП), разработанного заявителем. ВУП содержит цифровой блок обработки сигналов, установленный на борту малогабаритного плоскодонного судна 1, далее ВУП 1, и на днище ВУП 1 - блок пьезокерамических антенн 2. Антенны 2 соединены 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 сложных 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 и/или импульсно кодовой модуляции несущей частоты и/или начальной фазы ЗС кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов под управлением блока 8. 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 или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2. Выдвижная пьезокерамическая антенна 2 снабжена кабелем для подключения к антенному переключателю 3 измерителя. Самодвижущаяся пьезокерамическая антенна 2 снабжена бензиновым или электрическим движителем 18 и 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.
Согласно фиг. 3 ультразвуковое измерение скорости течения и расхода воды в открытом водоеме с помощью ВУП 1 производится следующим образом.
n
n
n
гр
гр
ВУП 1 устанавливают на поверхность водоема у одного из берегов его русла. Ориентируют направление движения ВУП 1 перпендикулярно направлению течения воды в водоеме. На бортовое оборудование 2-17 ВУП 1 подают электропитание, например от бортового аккумулятора или бензинового электрогенератора. После выхода на рабочий режим оборудования 2-17 включается движитель 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 ΔV воды, расход ΔW, 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 на основе эффекта электрострикции 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 Δdn ~ 2-6 м, ΔV ~ 0,5-0,8 м/с и выбор оптимального режима измерений и корреляционной обработки ОС с точки зрения повышения точности измерений из условия:
гр
гр
n
--(Δdn≥Δdn м)∩(Vn≥ΔV м/с) - 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<ΔТ1<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(3(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;
ΔT1
в режиме «А» измеряют коэффициент внутриимпульсной корреляции ρ;
ΔT2
в режиме «Б» - проводят расчет междупериодного коэффициента корреляции ρ;
ΔT1
ΔT2
в режимах «А» и «Б» вычисляют аргументы arg(ρ) или arg(ρ);
n
ΔT1
ΔT2
в режимах «А» и «Б» текущую радиальную скорость V течения воды определяют по найденному значению аргумента arg(ρ) или arg(ρ) 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 ΔT2 в режиме «Б»;
λ - длина волны ультразвукового излучения.
гр
гр
n
n
n
n
n
T1
T2
mod
mod
mod
n
При малой глубине водоема (Δdn≤Δdn) и одновременно повышенной скорости течения воды (ΔV≥ΔV) блок 8 управления автоматически включает режим «А» измерений, иначе - режим «Б». В режиме «А» (фиг. 1) в передатчике 4 производится импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) несущей частоты ЗС и генерация двух последовательностей одночастотных ИКМ -импульсов, с разностью периодов следования ΔT≥0,2 мс и с частотой электрических колебаний из диапазона ультразвуковых частот от 300 до 3000 кГц. Сформированные в передатчике 4 электрические ЗС через антенный переключатель 3 передаются на блок пьезокерамических антенн 2, преобразуются за счет эффекта электрострикции в механические колебания и излучаются в направлении дна водоема в виде ультразвуковых продольных волн. Проходя через толщу воды, излученные ЗС и отраженные ОС с ИКМ – модуляцией, получают допплеровские сдвиги по частоте и фазе, пропорциональные скорости ΔV движения воды в водоеме. Отраженные от дна водоема ОС с ИКМ - модуляцией, несущие уточненную информацию о текущей глубине Δdn и скорости ΔV течения воды, принимаются пьезокерамическими антеннами 2, преобразуются в электрические сигналы ультразвуковой частоты и через антенный переключатель 3 передаются на соответствующие приемные каналы многоканального приемника 5. В приемнике 5 с цифровым выходом принятые ИКМ - сигналы усиливаются, преобразуются в цифровую форму и передаются в устройство 6 цифровой обработки эхосигналов. В устройстве 6, включенном в режиме «А» на корреляционную обработку двух последовательностей одночастотных ИКМ - импульсов с разностью периодов следования ΔТ≥0,2 мс, производится (под программным управлением блока 8) высокоточное измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔV течения воды в корреляторе 16. При этом в корреляторе 6 производится расчет внутриимпульсных коэффициентов корреляции ρ и ρ отраженных ИКМ-сигналов и затем расчет междупериодного коэффициента их взаимной корреляции ρ из выражения (8) и далее - численного значения его аргумента arg(ρ). По найденному значению аргумента arg(ρ) коэффициента взаимной корреляции из выражения (10) определяют текущую радиальную скорость ΔV течения воды и текущий расход ΔW воды из выражения (12).
rp
гр
n
n
При повышенной текущей глубине водоема (Δdn>Δdn) и/или малой текущей скорости течения воды (ΔV<ΔV) автоматически включается режим «Б» измерений (фиг. 1).
mod
mod
mod
n
В режиме «Б» корреляционной обработки в цифровом генераторе 12 меняется вид модуляции ЗС с ИКМ на вобуляцию, например линейную, несущей частоты ЗС, а в цифровом корреляторе 16 меняется вид корреляционной обработки с внутриимпульсной на междупериодную, производится расчет междупериодного коэффициента ρ корреляции из выражения (9). Далее по найденному значению ρ определяют аргумент arg(ρ) коэффициента взаимной корреляции и из выражения (10) определяют текущую радиальную скорость ΔV течения воды и из выражения (2) - текущий расход ΔWn воды
.
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 или датчик системы GPS/ГЛОНАСС.
n
На очередном шаге измерений (n=n+1, n≤N) процесс измерений и запоминание текущих значений угла Δβ(n) сноса измерений, радиальной скорости ΔV 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 ниже выражений (3-7).
n
n
n
n
где ΔV, Δd, Δβ, ΔWn, - текущие значения скорости ΔV воды, толщины Δd водяного слоя (текущая глубина водоема), угла сноса линии измерений, удельного расхода ΔWn проточной воды;
n
ΔL, Δt - длинна пространственного и временного шага вдоль линии L измерения;
n, N - текущий номер и общее количество шагов измерений;
Δt - интервал ультразвуковых измерений;
c
t - общее время ультразвуковых измерений (время движения судна от одного берега водоема к другому);
Δβ(n) - текущий угол сноса судна, несущего измерительную аппаратуру, течением воды.
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 или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2. Передача данных измерений в этом случае осуществляется через проводную или беспроводную линию связи, подсоединенную к антенному переключателю 3 измерителя.
Полезная модель реализована в виде опытного образца ВУП. ВУП 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 текущей скорости движения воды до 1-2 мм/с для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн. Соответственно увеличилась точность измерения скорости течения и расхода воды в водоеме.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания
1. US 5531124, 02.07.1996.
2. JP 2676321, 25.07.1998.
3. Ультразвуковой расходомер UF-2100С, фирма Ultraflux Co.
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 редакцией Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007.