Способ поверки доплеровского измерителя скорости течений
Владельцы патента RU 2562001:
Закрытое акционерное общество "Ассоциация предприятий морского приборостроения" (RU)
Использование: изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при градуировке и поверке акустических доплеровских измерителей скорости течений жидкости. Сущность: способ поверки доплеровского измерителя скорости течений включает измерение несущей частоты излучения гидроакустических импульсов, формируемых доплеровским измерителем скорости течений, помещенным в акустически заглушенный бассейн, генерацию, посредством гидроакустического излучателя, сигналов в бассейне на заданных частотах, последовательно изменяемых относительно несущей частоты излучения на величину доплеровского сдвига частоты, соответствующую заданной, для данного измерения, скорости течения в допустимом диапазоне измерения скорости течения, измерение величины этой скорости и определение погрешности ее измерения путем сопоставления показаний доплеровского измерителя скорости течений со значением скорости течения, заданным доплеровским сдвигом частоты, принимаемым в качестве эталонного. Технический результат: создание способа поверки доплеровского измерителя скорости течений, опирающегося на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока и учитывающие физические принципы данного вида устройств, что обеспечивает повышение достоверности результатов измерений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования при градуировке и поверке акустических доплеровских измерителей скорости течений.
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.
Принятая в настоящее время в нашей стране методика метрологической аттестации контактных средств измерения скорости водного потока основана на поверочной схеме, предполагающей их 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 способа 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 способ поверки доплеровского измерителя скорости течений включает измерение несущей частоты излучения гидроакустических импульсов, формируемых доплеровским измерителем скорости течений, помещенным в акустически заглушенный бассейн, генерацию, посредством гидроакустического излучателя, сигналов в бассейне на заданных частотах, последовательно изменяемых относительно несущей частоты излучения на величину доплеровского сдвига частоты, соответствующую заданной, для данного измерения, скорости течения в допустимом диапазоне измерения скорости течения, измерение величины этой скорости и определение погрешности ее измерения путем сопоставления показаний доплеровского измерителя скорости течений со значением скорости течения, заданным доплеровским сдвигом частоты, принимаемым в качестве эталонного.
В частных случаях реализации способа, сигнал гидроакустического излучателя генерируют с временной задержкой относительно сигналов излучения, формируемых доплеровским измерителем скорости течений, соответствующей глубине определения скорости течения, а на выходе доплеровского измерителя дополнительно регистрируют заданную этой временной задержкой глубину течения и определяют погрешность ее измерения.
Техническое решение поясняется следующими графическими материалами, не охватывающими и тем более не ограничивающими весь объем притязаний данного технического решения, а являющимися частными примерами реализации изобретения.
На чертеже приведен пример блок-схемы реализации способа, на которой обозначено:
1 - поверяемый доплеровский измеритель скорости течений;
2 - гидроакустические антенны доплеровского измерителя скорости течений;
3 - акустически заглушенный бассейн;
4 - приемная гидроакустическая антенна;
5 - гидроакустический излучатель;
6 - усилитель приемного тракта;
7 - детектор;
8 - частотомер;
9 - генератор частоты;
10 - усилитель передающего тракта;
11 - поверочная аппаратура;
12 - приемный тракт;
13 - передающий тракт.
Измеряемая скорость течения линейно зависит от величины доплеровского сдвига несущей частоты 5 и определяется по формуле
где 
Fd - частота отраженного гидроакустического сигнала, с учетом доплеровского сдвига;
F - несущая частота излучения гидроакустического сигнала при зондировании;
С - скорость звука в воде;
А - угол между направлением зондирующего луча и соответствующей составляющей скорости.
Погрешности, вызванные неточностями в определении скорости звука и углов, определяются через погрешности измерителей параметров морской воды и углов качки доплеровского измерителя скорости течений.
Поверка этих измерительных каналов производится в соответствии с принятыми в Российской Федерации поверочными схемами.
Для оценки погрешности в определении величины доплеровского сдвига частоты 8 предлагается заявляемый способ поверки, который может быть реализован с использованием специально организованного поверочного стенда.
Способ осуществляют следующим образом.
Поверяемый доплеровский измеритель скорости течений 1 помещается в акустически заглушенный бассейн 3, с установленными в нем приемной гидроакустической антенной 4 и гидроакустическим излучателем 5 поверочной аппаратуры 11, причем гидроакустические антенны 2 доплеровского измерителя скорости течений 1 направлены в сторону приемной гидроакустической антенны 4 поверочной аппаратуры 11, а гидроакустический излучатель 5 поверочной аппаратуры 11 направлен в сторону гидроакустических антенн 2 доплеровского измерителя скорости течений 1.
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.
Измеритель 1 включается в работу в штатном режиме и формирует гидроакустические импульсы.
Усилитель 6 приемного тракта 12 поверочной аппаратуры 11, подключенный к выходу приемной гидроакустической антенны 4, усиливает принимаемый приемной акустической антенной 4 сигнал. Детектор 7, подключенный к выходу усилителя 6 приемного тракта, выделяет из принятого гидроакустического сигнала несущую частоту, частотомер 8 измеряет несущую частоту излученных доплеровским измерителем скорости течений 1 гидроакустических импульсов. По результатам измерений рассчитывается значение несущей частоты излучения поверочной аппаратуры 11, измененное, относительно измеренной несущей частоты, на величину доплеровского сдвига частот, соответствующую скорости течения, выбранной из допустимого диапазона измерения скорости течения доплеровского измерителя 1.
Расчет осуществляется оператором или с использованием средств вычислительной техники, в случае применения автоматизированной системы обработки.
На генераторе частоты 9 задают рассчитанную несущую частоту излучения поверочной аппаратуры 11, в соответствии с которой формируется сигнал, поступающий на усилитель 10 передающего тракта 13, и затем на гидроакустический излучатель 5, 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 1 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 1 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 диапазоне измерения.
Для случаев использования поверяемого устройства для измерения скорости течения на определенной глубине необходима поверка канала измерения глубины, на которой определяется скорость течения.
Поверка производится путем сопоставления показаний глубины для горизонта измерения скорости течений доплеровского измерителя со значением глубины, заданным временной задержкой между излученным доплеровским измерителем гидроакустическим сигналом и принятым от поверочной аппаратуры гидроакустическим сигналом на частоте доплеровского сдвига, причем величина заданной временной задержки устанавливается исходя из заданного для данного измерения значения глубины. При этом величина задержки соответствует времени прохождения сигнала до этой глубины и обратно, с учетом установленной в доплеровском измерителе величины скорости звука в водной среде.
Для проведения поверки канала измерения глубины в поверочной аппаратуре может быть использован генератор сигналов специальной формы, выполненный с обеспечением его запуска от сигнала с выхода усилителя зондирующего гидроакустического сигнала.
В процессе формирования гидроакустического сигнала поверочной аппаратуры на выходе усилителя приемного тракта по приходу гидроакустического сигнала от доплеровского измерителя скорости течения дополнительно вырабатывается импульс, определяющий начало прихода зондирующего импульса.
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:
где: Lmin, Lmax - 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.
Импульс начала прихода зондирующего сигнала поступает на вход генератора сигналов специальной формы. На генераторе задают рассчитанную несущую частоту излучения, рассчитанную временную задержку τ1 относительно поступившего зондирующего импульса, по истечении которой формируется сигнал, поступающий на гидроакустический излучатель, и длительность излучения τ2, в течение которого формируется сигнал, заполненный несущей частотой излучения с учетом доплеровского сдвига частот. Сигнал с выхода генератора поступает на усилитель передающего тракта и далее, на гидроакустический излучатель, 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 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 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.
Использование заявляемого изобретения обеспечивает реализацию способа поверки доплеровского измерителя скорости течений, опирающегося на существующие национальные поверочные схемы средств измерения скорости водного потока и учитывающего физические принципы данного вида устройств, посредством чего обеспечивается повышение достоверности результатов измерений, производимых поверенными устройствами.
Заявляемый способ может быть реализован с использованием промышленно выпускаемых средств измерения.
1. Способ поверки доплеровского измерителя скорости течений, заключающийся в измерении несущей частоты излучения гидроакустических импульсов, формируемых доплеровским измерителем скорости течений, помещенным в акустически заглушенный бассейн, генерации, с помощью гидроакустического излучателя, сигналов в бассейне на заданных частотах, измененных относительно несущей частоты излучения на величину доплеровского сдвига частоты, соответствующую заданной для данного измерения скорости течения в допустимом диапазоне измерения, измерении величины этой скорости и определении погрешности ее измерения путем сопоставления показаний доплеровского измерителя скорости течений со значением скорости течения, заданным доплеровским сдвигом частоты.
2. Способ поверки по п. 1, отличающийся тем, что сигнал гидроакустического излучателя генерируют с временной задержкой относительно сигналов излучения, формируемых доплеровским измерителем скорости течений, пропорциональной глубине определения скорости течения, а на выходе доплеровского измерителя дополнительно регистрируют заданную временной задержкой глубину течения и определяют погрешность ее измерения.
