СТЕНД ДЛЯ ПОВЕРКИ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЙ
BENCH FOR VERIFICATION OF ACOUSTIC DOPPLER CURRENT PROFILER

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при градуировке и поверке акустических доплеровских измерителей скорости течений жидкости.
Принцип действия акустических доплеровских измерителей скорости течений основан на измерении величины доплеровского сдвига частоты и реализован посредством импульсного зондирования водной толщи двумя или более акустическими лучами. Сигналы, отраженные от неоднородностей в водной среде, несут информацию о скорости течений в виде доплеровского сдвига несущей частоты излучения. Каждый из акустических лучей измеряет соответствующую проекцию ортогональных составляющих вектора скорости течения с разбивкой по слоям. Дистанция до слоев определяется по временной задержке.
Основной проблемой в применении акустических доплеровских измерителей скорости течений как в нашей стране, так и за рубежом является отсутствие метода их поверки и метрологической аттестации.
Используемые в настоящее время схемы метрологической аттестации средств измерения скорости водного потока предполагают проведение испытания в гидрологическом бассейне, обеспечивающем задание скорости посредством затопленной струи или движения самого измерителя в потоке, что принципиально не пригодно для работы акустических приборов.
Технический результат изобретения заключается в создании стенда для поверки доплеровского измерителя скорости течений, опирающегося на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока и при этом отражающего физические принципы данного вида устройств.
Указанный технический результат достигается тем, что стенд для поверки доплеровского измерителя скорости течения включает акустически заглушенный бассейн с жидкостью и поверочную аппаратуру, состоящую из приемного гидроакустического тракта, содержащего приемную гидроакустическую антенну, установленную в бассейне с возможностью ориентации в направлении излучения поверяемого устройства, усилитель приемного тракта, подключенный к выходу приемной гидроакустической антенны, средство, обеспечивающее выделение и измерение несущей частоты принятого гидроакустического сигнала, вход которого соединен с выходом усилителя приемного тракта, и передающего тракта, содержащего генератор, формирующий сигнал, поступающий на вход усилителя передающего тракта, выход которого электрически соединен с гидроакустическим излучателем, установленным в бассейне с возможностью ориентации в направлении приема поверяемого устройства, при этом генератор выполнен с возможностью задания рассчитанного значения несущей частоты, измененной относительно несущей частоты излучения поверяемого устройства на величину доплеровского сдвига частот.
Средство, обеспечивающее выделение и измерение несущей частоты принятого гидроакустического сигнала, может быть выполнено в виде анализатора спектра гидроакустического сигнала.
Средство, обеспечивающее выделение и измерение несущей частоты принятого гидроакустического сигнала, может быть выполнено в виде детектора, выделяющего из принятого гидроакустического сигнала несущую частоту, и частотомера несущей частоты излученных гидроакустических сигналов, вход которого соединен с выходом детектора.
В частных случаях реализации генератор, формирующий сигнал, выполнен с возможностью синхронизации запуска по внешнему управляющему сигналу и формирования временной задержки запуска относительно внешнего управляющего сигнала, при этом запускающий вход генератора соединен с выходом усилителя приемного тракта, а в качестве управляющего сигнала используется гидроакустический сигнал с выхода усилителя приемного тракта.
Генератор может быть выполнен с использованием средств вычислительной техники, в том числе средств программируемой логики.
Техническое решение поясняется приведенной на чертеже блок-схемой, являющейся частным примером реализации изобретения, не охватывающим и тем более не ограничивающим весь объем притязаний данного технического решения.
На блок-схеме стенда обозначено:
1 - акустически заглушенный бассейн;
2 - поверочная аппаратура;
3 - приемная гидроакустическая антенна;
4 - усилитель приемного тракта;
5 - средство выделения и измерения несущей частоты принятого гидроакустического сигнала (в данном примере - анализатор);
6 - генератор частоты;
7 - усилитель передающего тракта;
8 - гидроакустический излучатель;
9 - поверяемый доплеровский измеритель скорости течений.
Стенд для поверки доплеровского измерителя скорости течения (фиг. 1) включает акустически заглушенный бассейн 1 и поверочную аппаратуру 2, состоящую из приемного и передающего трактов.
Приемный тракт содержит приемную гидроакустическую антенну 3, установленную в акустически заглушенном бассейне 1 с возможностью ориентации в направлении излучения поверяемого устройства 9, усилитель 4 приемного тракта, подключенный к выходу приемной гидроакустической антенны 3, средство 5 выделения и измерения несущей частоты излученных доплеровским измерителем скорости течений гидроакустических импульсов, вход которого соединен с выходом усилителя 4.
В качестве гидроакустической антенны 3 может быть использована, например, антенна Reson TC4014. Гидроакустическая антенна 3 устанавливается в бассейне с возможностью ориентации в направлении излучения поверяемого устройства за счет установки ее с использованием простейшего поворотного устройства.
Усилитель 4 может представлять собой самостоятельное устройство или может входить в состав приемной гидроакустической антенны.
Средство 5, обеспечивающее выделение и измерение несущей частоты принятого гидроакустического сигнала, может быть выполнено в виде анализатора спектра гидроакустического сигнала, например, такого, как Tektronix FSP.
В частном случае средство 5, обеспечивающее выделение и измерение несущей частоты принятого гидроакустического сигнала, может быть выполнено в виде детектора, выделяющего из принятого гидроакустического сигнала несущую частоту, и частотомера несущей частоты излученных гидроакустических сигналов, вход которого соединен с выходом детектора.
Передающий тракт содержит генератор 6 частоты, выход которого соединен со входом усилителя 7 передающего тракта, и гидроакустический излучатель 8, например излучатель Reson ТС4034.
Усилитель 7 передающего тракта может быть выполнен в виде отдельного устройства или может входить в состав гидроакустического излучателя 8.
Гидроакустический излучатель 8 устанавливается в бассейне с возможностью ориентации в направлении приема поверяемого устройства за счет установки его с использованием простейшего поворотного устройства.
Генератор 6 частоты обеспечивает возможность задания рассчитанного значения несущей частоты излучения поверочной аппаратуры с учетом доплеровского сдвига частот.
В частных случаях реализации для проведения поверки канала измерения глубины в поверочной аппаратуре устанавливается генератор, выполненный с обеспечением возможности его запуска от сигнала с выхода усилителя зондирующего гидроакустического сигнала. Например, генератор сигналов специальной формы типа Agilent E8257D.
Требуемый диапазон изменения частоты генератора определяется значением максимальной скорости vmax, определяемой доплеровским измерителем скорости течения, и равняется , где F - рабочая частота доплеровского измерителя скорости течения. Максимальная скорость течения, измеряемая устройством, как правило, равняется ±10 м/с, и, следовательно, требуемый диапазон изменения частоты генератора будет примерно составлять ±1,5% от основной частоты F.
Среднеквадратичная погрешность измерения скорости течений, заявляемая разработчиками доплеровских измерителей скорости течения, составляет около 1,5 см/с, что соответствует доплеровскому сдвигу 2·10-5 F. Следовательно, точность сдвига частоты в генераторе переменной частоты, как поверочном средстве, должна иметь порядок 10-6 F.
В частных случаях реализации генератор может быть выполнен с использованием средств вычислительной техники, в том числе средств программируемой логики.
Стенд может быть выполнен полностью или частично автоматизированным. С этой целью может быть использовано вычислительное устройство, выполняющее функции анализатора спектра и генератора частоты, например ПЭВМ, на вход которого поступает сигнал с выхода усилителя 4 приемного тракта, а выходной сигнал поступает на вход усилителя 7 передающего тракта.
Процесс поверки осуществляется следующим образом.
Поверяемый доплеровский измеритель 9 скорости течений или, по крайней мере, его гидроакустические антенны устанавливают в акустически заглушенном бассейне 1.
Измеритель 9 включается в работу в штатном режиме и формирует гидроакустические импульсы.
Так как в акустическом бассейне возможны многочисленные переотражения излучаемого импульса, для уменьшения их влияния рекомендуется устанавливать минимально возможные значения мощности излучения доплеровского измерителя скорости течения и минимальную длительность зондирующего импульса.
Усилитель 4 приемного тракта поверочной аппаратуры 2, подключенный к выходу приемной гидроакустической антенны 3, усиливает принимаемый антенной 3 сигнал. Анализатор 5 выделяет из принятого гидроакустического сигнала и измеряет несущую частоту излученных доплеровским измерителем 9 скорости течений гидроакустических импульсов. По результатам измерений рассчитывается значение несущей частоты излучения поверочной аппаратуры 2, измененное относительно измеренной несущей частоты на величину доплеровского сдвига частот, соответствующую скорости течения, выбранной из допустимого диапазона измерения скорости течения доплеровского измерителя 9.
Расчет осуществляется оператором или, в случае применения автоматизированной системы обработки, с использованием средств вычислительной техники.
На генераторе 6 задают рассчитанную несущую частоту излучения поверочной аппаратуры 2, после чего генератор 6 частоты формирует соответствующий сигнал, поступающий на усилитель 7 передающего тракта и затем на гидроакустический излучатель 8, обеспечивающий преобразование электрического сигнала на выходе генератора в гидроакустический сигнал, несущая частота которого изменена на величину доплеровского сдвига, соответствующую заданной для данного измерения скорости течения.
Поверяемый доплеровский измеритель 9 скорости течения принимает излученный гидроакустический сигнал и формирует на своем выходе значение скорости течения, заданное доплеровским сдвигом частот.
Для определения погрешности измерения скорости течения сравнивают значения скорости на выходе поверяемого доплеровского измерителя 9 скорости течения с эталонным значением скорости, заданным доплеровским сдвигом частоты, и оценивают погрешность измерения.
Затем последовательно повторяют процесс поверки для других значений доплеровских сдвигов частот, обеспечивающих задание скорости течения в допустимом, для поверяемого устройства, диапазоне измерения.
В частных случаях реализации стенд дополнительно может быть использован для поверки канала измерения глубины, на которой определяется скорость течения.
Поверка производится путем сопоставления показаний глубины для выбранной поверочной итерации горизонта измерения скорости течений доплеровского измерителя со значением глубины, заданным временной задержкой между излученным доплеровским измерителем 9 гидроакустическим сигналом и принятым от поверочной аппаратуры 2 гидроакустическим сигналом на частоте доплеровского сдвига. При этом величина заданной временной задержки устанавливается исходя из заданного для данного измерения значения глубины и соответствует времени прохождения сигнала до этой глубины и обратно с учетом установленной в доплеровском измерителе 9 скорости течения величины скорости звука в водной среде.
В процессе формирования гидроакустического сигнала поверочной аппаратуры на выходе усилителя 4 приемного тракта по приходу гидроакустического сигнала от доплеровского измерителя 9 скорости течения вырабатывается импульс, являющийся одновременно запускающим для передающего тракта поверочной аппаратуры.
Оператором или с использованием средств вычислительной техники, в случае применения автоматизированной системы обработки, производится расчет величины временной задержки τ1 для соответствующей глубины и расчет длительности сигнала излучения τ2, который формируется в виде меандра, заполненного несущей частотой излучения с учетом доплеровского сдвига частот.
Задержка τ1 имитирует время распространения сигнала до глубины, на которой производится измерение скорости, и обратно.
Величина задержки τ1 последовательно выбирается из диапазона значений, который может быть определен следующим образом:
min
max
где: L, L - предельные дальности зондирования;
С - задаваемая в доплеровском измерителе величина скорости звука в водной среде.
Например, для доплеровского измерителя скорости течений ADCP300 величина τ1 выбирается в диапазоне от 50 до 500 мс, что ориентировочно соответствует диапазону глубин зондирования от 35 до 350 м.
Длительность меандра τ2 определяет имитируемую толщину слоя воды, в котором производится измерение скорости течения.
где D - толщина слоя воды;
k - число слоев воды, для которых производится измерение скорости течения;
D и k - параметры, задаваемые в доплеровском измерителе для каждого измерения.
Для ADCP300 минимальное значение τ2=4 мс.
Запускающий импульс поступает на вход генератора 6 передающего тракта (в этом случае - генератора сигналов специальной формы). На генераторе 6, вручную или автоматически, задают рассчитанную несущую частоту излучения, рассчитанную временную задержку τ1, относительно поступившего зондирующего импульса, по истечении которой формируется сигнал, поступающий на гидроакустический излучатель 8, и длительность излучения τ2, в течение которого формируется сигнал, заполненный несущей частотой излучения с учетом доплеровского сдвига частот. Сигнал с выхода генератора 6 поступает на усилитель 7 передающего тракта и далее на гидроакустический излучатель 8, обеспечивающий преобразование электрического сигнала в гидроакустический сигнал, несущая частота которого изменена на величину, соответствующую заданной для данного измерения скорости течения, а временная задержка между временем излучения и временем приема, сформированного поверочной аппаратурой гидроакустического сигнала, соответствует заданной для данного измерения глубине определения скорости течения.
Поверяемый доплеровский измеритель 9 скорости течения принимает излученный гидроакустический сигнал и формирует на своем выходе значение скорости течения, заданное доплеровским сдвигом частот, и значение глубины для данной скорости течения.
Погрешность измерения глубины определяют путем сравнения значения глубины на выходе доплеровского измерителя 9 скорости течения с эталонным значением глубины, заданным временной задержкой.
Процесс поверки повторяют для других значений глубин, обеспечивающих измерение скоростей течения для разных горизонтов в допустимом диапазоне измерения.
Таким образом, использование заявляемого изобретения обеспечивает создание стенда для поверки доплеровского измерителя скорости течений, опирающегося на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока и учитывающего физические принципы данного вида устройств, в результате использования которого обеспечивается повышение достоверности результатов измерений, производимых поверенными устройствами.
Заявляемый стенд реализован с использованием промышленно выпускаемых средств измерения и прошел практическую апробацию.