СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ

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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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».
Задачей заявляемой полезной модели является повышение эффективности определения профиля скорости течения.
Технический результат предлагаемого решения - определение профиля скорости течения в заданном районе на любой требуемом горизонте независимо от присутствия естественных рассеивателей.
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.
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.
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.
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.
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.
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.