УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОТОКА ГАЗА, ПЕРЕНОСИМОГО ВСПЛЫВАЮЩИМИ В ВОДОЕМАХ ПУЗЫРЬКАМИ

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для дистанционной оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками, и может быть использована, например, для измерения потоков метана, переносимого всплывающими пузырьками на шельфе.
Известен ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды в трубопроводах (RU 2126143 C1, МПК 6 G01F 1/74, G01F 1/66, опубл. 10.02.1999), который может быть использован и для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками. Известное устройство состоит из двух измерительных камер с излучателями и приемниками акустических импульсов, одна из которых соединена с блоком измерения параметров импульсов, а другая - с блоком измерения скорости многофазной среды, при этом блоки соединены с электронно-вычислительной системой. Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды позволяет оценить переносимый пузырьками поток газа по скорости перемещения пузырьков и величине их относительного содержания в воде. С его помощью можно оценить поток газа из локального источника на дне водоемов.
Недостаток известного устройства заключается в том, что для проведения оценки потока газа из локального источника на дне водоемов, его нужно устанавливать на дне водоемов с большой точностью относительно источника. Кроме того для оценки потока газа с обширного участка дна необходимо произвести последовательно большое число таких измерений, что является очень времязатратным, дорогостоящим, а зачастую и невыполнимым мероприятием.
Известен стационарный гидроакустический комплекс (Саломатин А.С., Юсупов В.И., Ли Б.Я. Дистанционные акустические исследования водной толщи и дна океана: аппаратура и методика / Дальневосточные моря России. М.: Наука, 2007. Кн. 4: Физические методы исследования), принятый за прототип, который обычно устанавливают на судне. Стационарный гидроакустический комплекс состоит из одного или нескольких эхолотов и/или гидролокаторов, соединенных через блок согласования и систему цифровой регистрации с блоком управления и регистрации, соединенной с GPS/ГЛОНАСС приемником и эхолотами. Известное устройство работает следующим образом. Акустический сигнал одного или нескольких эхолотов и/или гидролокаторов излучают в направлении дна. Этими же эхолотами и/или гидролокаторами принимают сигналы обратного рассеяния звука, рассеянные от всплывающих пузырьков. Сигналы обратного рассеяния звука через блок согласования и систему цифровой регистрации поступают на блок управления и регистрации, где обрабатываются и отображаются на экране монитора в виде эхограммы. Одновременно на блок управления и регистрации поступает сигнал с GPS/ГЛОНАСС приемника для записи текущих координат. В случае, когда всплывающие пузырьки акустически регистрируются по отдельности, поток газа, переносимый всплывающими пузырьками, оценивается по размеру и скорости всплытия пузырьков (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых «факелов» Охотского моря // Океанология, 2011. Т. 51, №5. С. 911-919). Размер пузырька при этом определяется по величине сигнала обратного рассеяния звука от него, а скорость всплытия по изменению глубины пузырька за определенный промежуток времени. Основным недостатком известного устройства является то, что точность оценки потока газа резко уменьшается на тех участках, на которых всплывающие пузырьки расположены близко друг к другу и акустически не регистрируются по отдельности.
Задачей полезной модели является повышение точности оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками.
Поставленная задача решена устройством для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками, который содержит эхолот, связанный с блоком согласования, к которому последовательно подключены система цифровой регистрации, блок управления и регистрации, который соединен с GPS/ГЛОНАСС приемником и эхолотом, при этом генератор пузырьков состоит из последовательно соединенных баллона с газом, системы подачи газа и сопла, опускаемого в водоем, а система подачи газа соединена с блоком управления и регистрации.
Достижение заявленного технического результата, а именно, повышение точности оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками, происходит за счет калибровки устройства по искусственным всплывающим пузырькам с известным потоком газа. Технически это достигается тем, что устройство дополнительно содержит генератор пузырьков, состоящий из последовательно соединенных баллона с газом, системы подачи газа и сопла, опускаемого в водоем, причем система подачи газа соединена с блоком управления и регистрации.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками.
Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками содержит блока управления и регистрации 1 (БУР), который связан с эхолотом 2 (Э), к которому последователь подсоединены блок согласования 3 (БС), система цифровой регистрации 4 (БЦР), блок управления и регистрации 1 (БУР), к который соединен с GPS/ГЛОНАСС приемником 5 (П). Генератор пузырьков 6 (ГП) содержит последовательно соединенные баллон с газом 7 (БГ), систему подачи газа 8 (СПГ) и сопло 9 (С). Блок управления и регистрации 1 (БУР) соединен с системой подачи газа 8 (СПГ).
Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками, который устанавливается на судно, работает следующим образом. Предварительно в заданном районе с помощью генератора пузырьков 6 (ГП) проводится калибровка. Для этого судно становится в дрейф на участке, на котором нет естественных всплывающих пузырьков, и в водоем на заданную глубину H или дно непосредственно под эхолотом 2 (Э) опускают сопло 9 (С), соединенное с системой подачи газа 8 (СПГ). По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) система подачи газа 8 (СПГ), на который газ поступает из баллона с газом 7 (БГ), обеспечивает заданный поток газа, выходящего из сопла 9 (С) в водоем в виде пузырьков. Одновременно в направлении дна излучается акустический сигнал эхолота 2 (Э). Этим же эхолотом 2 (Э) принимаются сигналы ОРЗ от выходящих из сопла (С) и всплывающих пузырьков. Сигналы ОРЗ через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступают на блок управления и регистрации 1(БУР), где обрабатываются и отображаются в виде эхограммы, которая показывает распределение сигнала обратного рассеяния звука под эхолотом 2 (Э). Изменяя величину потока газа, выходящего из сопла 9 (С), строится калибровочная зависимость величины сигнала обратного рассеяния звука от величины потока газа для заданной глубины Н.
Затем проводится оценка естественного потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, в заданном районе. В зависимости от поставленной задачи измерения проводятся в дрейфе или на ходу судна с установленным не нем устройством. По команде с блока управления и регистрации 1 (БУР) акустический сигнал эхолота 2 (Э) излучается в направлении дна. Этим же эхолотам 2 (Э) принимаются сигналы обратного рассеяния звука от всплывающих пузырьков, которые через блок согласования 3 (БС) и систему цифровой регистрации 4 (СЦР) поступают на блок управления и регистрации 1 (БУР), где обрабатываются и отображаются в виде эхограммы. С использованием полученной ранее калибровочной зависимости для глубины H по величине сигнала обратного рассеяния звука от пузырьков производится оценка потока газа, переносимого всплывающими пузырьками. Одновременно на блок управления и регистрации 1 (БУР) поступает сигнал с GPS/ГЛОНАСС приемника 5 (П) для записи текущих координат. Таким образом, в заданном районе можно выполнить измерение потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, в заданной точке или провести съемку, например, путем выполнения параллельных галсов, и получить распределение величины потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, по всему району.
Характеристики эхолота 2 (Э), входящего в состав устройства для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, (периодичность и длительность посылок, частота сигнала, мощность, характеристики диаграммы направленности) определяются стандартным образом в зависимости от глубины, поставленной задачи, погодных условий, размеров всплывающих пузырьков. Для достаточно больших глубин (более 300 м) регистрацию лучше производить на частотах 10-30 кГц, поскольку сигнал с более высокими частотами сильно затухает. На мелководных участках (глубина меньше 300 м), предпочтительнее работать с частотами в диапазоне 30-250 кГц. Блок управления и регистрации 1 (БУР) может быть выполнен на базе персонального компьютера или с использованием микропроцессоров. Блок согласования 3 (БС), система цифровой регистрации (4 СЦР), GPS/ГЛОНАСС приемник 4 (П) могут быть стандартными. В качестве баллона с газом 7 (БГ) может быть использован стандартный баллон с метаном или другим, в том числе инертным, газом. Система подачи газа 8 (СПГ) может быть выполнена на базе редуктора БКО-50-4, ротаметра для измерения расхода газа серии LZM-4T и шланга высокого давления, выдерживающего давление 50 атм. Сопло 9 (С) может быть выполнено в виде трубки из стали с внутренним диаметром 1-5 мм. Технические характеристики используемых элементов и блоков заявляемого устройства определяются поставленной задачей и условиями измерений.
Натурные испытания устройства были проведены в Японском море и море Лаптевых. Устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками, был установлен на научно-исследовательском судне. В устройстве использовались различные эхолоты 2 (Э) с частотами от 10 до 250 кГц и различными характеристиками диаграмм направленности. Блок управления и регистрации 1 (БУР) был выполнен на основе персонального компьютера, на базе процессора Intel i5 под управлением операционной системой Windows. Калибровки выполняли в районах с глубинами от 7 до 70 м. Частота эхолота 2 (Э) выбиралась в зависимости от глубины: при глубинах меньше 30 м использовались эхолоты с частотами больше 50 кГц, при глубинах больше 100 м применялись эхолоты с частотами меньше 200 кГц. Периодичность посылок акустических сигналов эхолота 2 (Э) выбиралась в зависимости от глубины дна из условия, чтобы второе и последующие отражения акустических сигналов от дна не попадало на эхограмме на сигнал от водной толщи. Длительность посылок выбиралась в диапазоне от 0.3 до 1.5 мс. Мощность излучения выбиралась из условия надежной регистрации всплывающих пузырьков на уровне шума. Для калибровки сопло 9 (С) устанавливали на заданной глубине Я от 5 до 70 м. С помощью системы подачи газа 8 (СПГ) задавали потоки газа, выходящего из сопла 9 (С). Одновременно в направлении дна с помощью эхолота 2 (Э) излучали акустический сигнал и принимали сигналы обратного рассеяния звука от всплывающих пузырьков. Изменяя величину потока газа, выходящего из сопла 9 (С), для каждого эхолота 2 (Э) строилась калибровочная зависимость величины сигнала ОРЗ от величины потока газа для заданной глубины Н.
Затем проводилась оценка естественного потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, в заданном районе. Измерения проводились в дрейфе судна, при этом судно расположилось над областью достаточно мощного газового выделения с глубиной 54 м. Для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, использовались эхолоты в диапазоне частот 10-250 кГц, широко используемые для дистанционного исследования всплывающих пузырьков, с частотами 12, 20, 50, 135 и 200 кГц. Данные акустических измерений показали, что на всех частотах всплывающие пузырьки только в редких случаях регистрировались по отдельности. В этих условиях оценить потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, с хорошей точностью с помощью прототипа не представлялось возможным. Оценку потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, провели с помощью построенных ранее для каждого из используемых эхолотов калибровочных зависимостей для глубины Н=54 м. Для проверки полученных данных с борта судна на дно был опущен телеуправляемый подводный аппарат «ГНОМ» (http://www.gnom-rov.ru), снабженный цифровой видеокамерой, с помощью которой было произведено наблюдение за всплывающими со дна пузырьками. Наблюдение показало, что в этом районе всплывающие пузырьки зачастую выходили из дна в виде пузырьковых выбросов сразу большого количества пузырьков. Полученные фотографии позволили измерить размеры и скорости всплытия пузырьков и объективно оценить величину потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, которая с приемлемой точностью 14% совпала с оценками, полученными с помощью комплекса для оценки потока газа, переносимого всплывающими в водоемах пузырьками. Оценки, выполненные с помощью прототипа дали погрешность оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, на уровне 70%.
Таким образом, предложенное устройство для оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками, позволило достичь поставленной задачи, а именно повысить точность оценки потока газа, переносимого всплывающими пузырьками.