УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ВСПЛЫТИЯ ПУЗЫРЬКОВ

Полезная модель относится к геофизике, а именно к устройствам для определения скорости всплытия пузырьков в океанах, морях и других водоемах, например, пузырьков газа в газовых «факелах».
На многих участках Мирового океана со дна поднимаются пузырьки газа. Зачастую они образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - газовые "факела" (ГФ). Измерение скорости всплытия пузырьков представляет большой практический интерес, поскольку скорость всплытия газовых пузырьков несет информацию не только о размерах пузырьков, но и о состоянии их поверхности и, в ряде случаев, о составе газа. «Чистые» пузырьки, не имеющие на своей поверхности загрязнений, всплывают быстрее, чем «грязные», покрытые, например, нефтяной пленкой. Скорость всплытия пузырьков метана несет и дополнительную информацию о наличии на их поверхности газогидратной оболочки.
Известно устройство, позволяющее определять скорость всплытия пузырьков в различных водоемах, основанное на оптическом наблюдении за ними. (Blanchard D.C., Woodcock A.H. Bubble formation and modification in the sea and its meteorological significance // Tellus. 1957. V.9. P.145-158). Устройство состоит из погружаемого блока, в состав которого входят источник света и регистратор в виде видео/кинокамеры или фотоаппарата. Устройство опускают на необходимую глубину вблизи от всплывающих пузырьков и производят фото или киносъемку. Скорость всплытия пузырьков определяют непосредственно по их изображению, как высоту всплытия за единицу времени.
Недостатком устройства, основанного на оптическом наблюдении, является необходимость его размещения в непосредственной близости от всплывающих пузырьков. Кроме того, устройство должно быть так ориентировано в пространстве, чтобы всплывающие пузырьки попали в поле зрения фото или видео/кинокамеры. При исследовании всплывающих пузырьков на глубинах, превышающих сотни метров с борта судна, это условие выполнить затруднительно, а в ряде случаев - невозможно.
Известно устройство, основанное на излучении и приеме акустических сигналов и определяющее скорость рассеивающих объектов, в том числе и пузырьков, по доплеровскому смещению (Farmer D.V, Gemmrich J., Polonichko V. Velocity, temperature and spatial structure of Langmuir circulation // Physical Limnology Coastal and Estuarine Studies. 1997. V.9. P.1-12). Известное устройство состоит из генератора электрических импульсов, электроакустического преобразователя, усилителя и устройства обработки. Электрический импульс, поступающий на вход электроакустического преобразователя, преобразуется в звуковую волну заданной частоты, которая отражается от различных неоднородностей в водной толще, в том числе и от всплывающих пузырьков, возвращается в обратном направлении к электроакустическому преобразователю, который преобразует ее в электрический сигнал. Усилитель усиливает сигнал, который поступает на устройство обработки. Устройство обработки определяет доплеровское смещение частоты принятого сигнала и по нему вычисляет скорость всплытия пузырьков.
Недостатком известного устройства, основанного на доплеровском методе, является большая ошибка в определении скорости всплытия пузырьков, которая существенно возрастает с качкой судна. Кроме того, для проведения измерения требуется много времени, в течение которого судно необходимо удерживать в одной точке.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для определения скорости всплытия пузырьков, основанное на излучении и приеме акустических сигналов, представляющее собой эхолот ELAC (ФРГ). 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 газовым «факелом» (ГФ) по линии течения на экране компьютера появляется изображение газового «факела» в виде наклонной области повышенного рассеяния в водной толще. Скорость всплытия пузырьков в газовом «факеле» определяют по скорости течения в данном месте и углу наклона газового «факела» в пространстве относительно вертикали. (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).
Недостатком прототипа является то, что точность определения скорости всплытия пузырьков в ГФ зависит от точности прохождения судна непосредственно над ГФ по линии течения (по течению или против него). Вероятность такого прохождения очень мала. В подавляющем большинстве случаев судно пересекает ГФ под углом к линии течения. При этом на эхограмме ГФ зачастую выглядят в виде овальных областей с более сильным, чем в окружающей водной толще рассеянием. Определение угла наклона ГФ в пространстве по таким отображениям ГФ неточно и приводит к большим погрешностям.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности и точности определения скорости всплытия пузырьков.
Технический результат достигается за счет повышения точности определения угла наклона потока всплывающих пузырьков в пространстве.
Поставленная задача решается устройством для определения скорости всплытия пузырьков, содержащим генератор электрических импульсов, соединенный с входом-выходом электроакустического преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входом компьютера, при этом устройство дополнительно содержит пороговое устройство, интегратор электрических сигналов и систему обработки и регистрации, при этом вход порогового устройства связан с выходом усилителя, выход порогового устройства соединен с входом интегратора электрических сигналов, а выход интегратора электрических сигналов соединен с системой обработки и регистрации.
Предложенная конструкция устройства за счет использования в ней порогового устройства, интегратора электрических сигналов и системы обработки и регистрации, позволяет по обнаруженной авторами зависимости угла наклона ГФ (устойчивая область повышенной концентрации пузырьков газа) от вертикального размера области ГФ с большой степенью точности определить угол наклона ГФ, по которому, зная скорость течения, определяют скорость всплытия пузырьков в ГФ.
Предложенное устройство позволяет более точно и эффективно по сравнению с прототипом определить скорость всплытия пузырьков при пересечении ГФ под любым углом к течению.
Блок-схема заявляемого устройства представлена на фиг.1, где (1) - генератор электрических импульсов, (2) - электроакустический преобразователь, (3) - усилитель, (4) - компьютер, (5) - пороговое устройство, (6) - интегратор электрических сигналов, (7) - система обработки и регистрации.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Генератор 1 электрических импульсов периодически выдает электрические импульсы, которые поступают на вход электроакустического преобразователя 2, который преобразует их в звуковую волну и посылает в воду. Звуковая волна отражается от всплывающих в водной толще пузырьков и возвращается к электроакустическому преобразователю 2, который преобразует ее в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя 3. Усилитель 3 усиливает, выпрямляет этот сигнал и посылает его на компьютер 4 и пороговое устройство 5. На экране компьютера 4 появляется изображение ГФ. Сигнал с выхода порогового устройства 5 поступает на вход интегратора электрических сигналов 6 и далее поступает на вход системы обработки и регистрации 7, которая по значению сигнала на выходе интегратора электрических сигналов 6 с учетом значений скорости течения и вертикального размера ГФ в момент его пересечения, вводимых оператором, вычисляет скорость всплытия пузырьков и отображает полученный результат графически или в цифровом виде.
1
2
Принцип действия заявляемого устройства основан на обнаруженной авторами зависимости вертикального размера области ГФ на эхограмме компьютера 4 в момент пересечения ГФ судном (не только по течению или против него, но и под любым углом к течению) от угла наклона ГФ в пространстве. На фиг.2 условно изображен электроакустический преобразователь, полуширина главного лепестка диаграммы направленности которого составляет φ. ГФ, который расположен под судном на глубине Н, условно показан в виде расположенных на наклонной прямой пузырьков. Угол наклона ГФ к вертикали составляет α и определяется соотношением скорости всплытия пузырьков к скорости течения. В данный момент времени область с повышенным уровнем рассеяния на эхограмме эхолота занимает диапазон глубин ΔН от R до R. Как легко получить из геометрических соображений:
Из формулы видно, что диапазон глубин изображения ГФ на эхограмме в данный момент времени линейно зависит от Н и сложным образом от угла наклона ГФ α. Зависимость (1) можно преобразовать к виду:
На фиг.3 представлен вид зависимости а от f при φ=5°. В представленном диапазоне углов наклона ГФ эта зависимость хорошо аппроксимируется полиномом:
Таким образом, по эхограмме на экране компьютера в момент пересечения ГФ определяется ΔН как вертикальный размер участка повышенного рассеяния в водной толще. Затем по формуле (2), зная Н, определяется f. Далее по формуле (3) определяется угол наклона ГФ.
1
2
1
2
2
1
Автоматическое определение диапазона глубин с повышенным уровнем рассеяния ΔН в момент пересечения ГФ осуществляют с помощью последовательно соединенных порогового устройства и интегратора электрических сигналов. Пороговое устройство работает таким образом, что если сигнал на входе меньше величины порогового значения, то сигнал на выходе равен нулю. Если сигнал на входе порогового устройства равен или превышает пороговое значение, то сигнал на выходе порогового устройства принимает значение единицы. В этом случае в момент пересечения ГФ при глубинах меньших R и больших R сигнал на выходе порогового устройства будет равен нулю. А при глубинах больших R и меньших R сигнал на выходе порогового устройства будет равен единице. В этом случае сигнал на выходе интегратора будет пропорционален величине ΔH=R-R.
Выбор порогового значения определяется конкретными параметрами рассеянного сигнала при пересечении ГФ и в соседних фоновых областях.
Технические характеристики используемых элементов и блоков заявляемого устройства определяются измеряемой средой и условиями измерений.
Пороговое устройство и интегратор выполняют, например, на стандартных микросхемах, транзисторах или с применением обычного микропроцессора. Систему обработки и регистрации выполняют на базе обычного микропроцессора или персонального компьютера. Информацию о скорости течения и вертикальном размере ГФ заводит оператор либо ее вводят автоматически.
Натурные испытания устройства были проведены в рейсе НИС "Академик М.А.Лаврентьев" на шельфе о.Сахалин в Охотском море.
Устройство для определения скорости всплытия пузырьков в ГФ включало генератор электрических импульсов, вырабатывающий сигналы длительностью 0,8 мс с частотой заполнения 12 кГц, поступающие на электроакустический преобразователь пьезоэлектрического типа, расположенный в днище судна на глубине 4,5 м ниже ватерлинии. Ультразвуковые сигналы излучались и принимались в вертикальном направлении. Усилитель, соединенный с электроакустическим преобразователем с помощью гибкого кабеля, осуществлял усиление и выпрямление принятого электроакустическим преобразователем эхо-сигнала. Сигнал с усилителя подавался на компьютер Silvio с процессором AMD Athlon и звуковой картой Creative Labs и отображался на его экране. Сигнал с усилителя подавался также на вход порогового устройства и затем на интегратор, собранных на базе стандартных микросхем. Уровень срабатывания порогового устройства был выбран равным 30 мВ. При превышении этого значения сигнал на выходе порогового устройства составлял 4 В. Сигнал с выхода интегратора поступал на вход системы обработки и регистрации, выполненной на базе персонального компьютера. Интервал глубин, в которых определяли скорость всплытия пузырьков находили путем анализа сигналов рассеяния звука при пересечении ГФ. После установки диапазона глубин было выполнено повторное пересечение ГФ. В момент пересечения ГФ сигнал с выхода интегратора соответствовал протяженности сигнала повышенного рассеяния от ГФ ΔН=37 м. Измеренная по эхограмме компьютера величина ΔН оказалось равной 39 м. Скорость течения в данном месте составляла 24 см/с. При введенных указанных параметрах в устройство обработки и регистрации, сигнал на его выходе, определяющий скорость всплытия пузырьков в ГФ, составил 19 см/с. Измеренная скорость всплытия пузырьков, определенная по реальному углу наклона ГФ, составила от 17 до 20 см/с.
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного устройства, в том числе использование порогового устройства, интегратора электрических сигналов и системы обработки и регистрации, позволяет получить заявляемый технический результат и решить поставленную задачу.