RU171822U1 - On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir - Google Patents
On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU171822U1 RU171822U1 RU2016145855U RU2016145855U RU171822U1 RU 171822 U1 RU171822 U1 RU 171822U1 RU 2016145855 U RU2016145855 U RU 2016145855U RU 2016145855 U RU2016145855 U RU 2016145855U RU 171822 U1 RU171822 U1 RU 171822U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- water
- reservoir
- antenna
- board
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к ультразвуковым устройствам измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, например, в русле реки. Ультразвуковой измеритель выполнен в виде радиоуправляемого малогабаритного измерительного судна с движителем 18. На борту судна установлен цифровой блок обработки сигналов, а на днище судна - антенный блок ультразвуковых преобразователей. Цифровой блок 1 обработки сигналов, установленный на борту судна, содержит установленные на двунаправленной интерфейсной шине 10 сопряжения блок 8 автоматического управления измерениями, ультразвуковой передатчик 4 сложных зондирующих сигналов (ЗС) с аналоговым выходом, многоканальный приемник 5 ответных сигналов с аналоговым входом и цифровым выходом, устройство 6 цифровой обработки ответных сигналов, устройство 7 привязки измерений к местности и радиомодем 9. Выход передатчика 4 и вход приемника 5 через антенный переключатель 3 соединен с антенным блоком 11 ультразвуковых преобразователей. Антенный блок 11 выполнен в форме равносторонней пирамиды 11, обращенной вершиной в сторону дна водоема. На боковых сторонах пирамиды 11 установлены ультразвуковые преобразователи 2 в виде плоских пьезокерамических антенн или ультразвуковых фазированных антенных решеток. Причем ультразвуковой передатчик сложных зондирующих сигналов (ЗС) выполнен с возможностью генерации ЗС в диапазоне частот от 100 до 3000 кГц и вобуляции несущей частоты и начальной фазы ЗС линейными последовательностями модулирующих импульсов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода проточной воды в открытом водоеме. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to ultrasonic devices for measuring flow velocity and water flow in open water bodies, for example, in a river bed. The ultrasonic meter is made in the form of a radio-controlled small-sized measuring vessel with propulsion 18. A digital signal processing unit is installed on board the vessel, and an antenna unit of ultrasonic transducers is installed on the bottom of the vessel. The digital signal processing unit 1, mounted on board the vessel, comprises an automatic measurement control unit 8, an ultrasonic transmitter 4 of complex sounding signals (AC) with an analog output, a multichannel receiver 5 of response signals with an analog input and a digital output, mounted on a bi-directional interface bus 10 of coupling device 6 for digital processing of response signals, device 7 for binding measurements to terrain and a radio modem 9. The output of the transmitter 4 and the input of the receiver 5 through the antenna switch 3 is connected the antenna unit 11 of the ultrasonic transducers. The antenna unit 11 is made in the form of an equilateral pyramid 11, facing the apex towards the bottom of the reservoir. On the sides of the pyramid 11 are installed ultrasonic transducers 2 in the form of flat piezoceramic antennas or ultrasonic phased antenna arrays. Moreover, the ultrasonic transmitter of complex sounding signals (ZS) is configured to generate ZS in the frequency range from 100 to 3000 kHz and wobble the carrier frequency and the initial phase of the ZS by linear sequences of modulating pulses. The technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the flow velocity and flow rate of running water in an open reservoir. 8 s.p. f-ly, 2 ill.
Description
Полезная модель относится к ультразвуковым устройствам измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, например в русле реки или водоканала.The utility model relates to ultrasonic devices for measuring the flow velocity and flow rate of water in open water bodies, for example, in a river or water channel.
Известны ультразвуковые устройства /1-6/ измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, основанные на ультразвуковом зондировании толщи воды, приеме отраженных сигналов (ОС), измерении в них допплеровских сдвигов несущих частот и фаз ОС, пропорциональных скорости течения воды, и вычисление на их основе текущих параметров водоема.Known ultrasonic devices / 1-6 / measuring the speed and flow of water in open water, based on ultrasonic sensing of the water column, receiving reflected signals (OS), measuring Doppler shifts of the carrier frequencies and phases of the OS, proportional to the speed of water flow, and calculating based on them the current parameters of the reservoir.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по назначению и технической сущности относится бортовой ультразвуковой измеритель /6/ для измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах.Closest to the claimed utility model for its intended purpose and technical essence is an onboard ultrasonic meter / 6 / for measuring the flow velocity and water flow in open water bodies.
Известный бортовой ультразвуковой измеритель скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме содержит цифровой блок обработки сигналов, соединенный по зондирующим и отраженным сигналам с антенным блоком ультразвуковых преобразователей.A well-known onboard ultrasonic meter for the speed of flow and water flow in an open pond contains a digital signal processing unit connected via probing and reflected signals to the antenna unit of ultrasonic transducers.
Причем цифровой блок обработки сигналов включает программно взаимосвязанные между собой цифровые приемопередатчики ультразвуковых волн, допплеровские фильтры, эхолот, измеритель скорости звука в воде, триггер, измеритель угла сноса судна течением воды, умножитель, формирователь сигналов коррекции, счетчик глубины, узел обработки допплеровских сигналов, делители, интегрирующий счетчик, а также - индикатор.Moreover, the digital signal processing unit includes programmatically interconnected digital ultrasonic wave transceivers, Doppler filters, an echo sounder, a sound velocity meter in water, a trigger, a drift angle meter, water multiplier, a correction signal generator, a depth counter, a Doppler signal processing unit, dividers integrating counter, as well as an indicator.
Антенный блок содержит гидроакустический преобразователь эхолота и четыре гидроакустических преобразователя, ориентированные попарно в сторону дна реки и под острым углом к вертикальной плоскости. Он установлен на рыбовидном грузе для буксировки с помощью троса поперек течения водоема, и соединен электрическим кабелем с бортовой аппаратурой, размещенной на палубе буксировочного судна. На антенном блоке дополнительно установлены гидрометрическая вертушка и датчик скорости звука в воде, соединенные по сигнальным выходам с соответствующей бортовой аппаратурой блока обработки сигналов. Датчик скорости звука выполнен в виде цилиндра с прорезями, в котором размещены пьезоэлемент и отражатель.The antenna unit contains a sonar transducer and four sonar transducers oriented in pairs towards the bottom of the river and at an acute angle to the vertical plane. It is mounted on a fish-like cargo for towing with a cable across the course of the reservoir, and is connected by an electric cable to the on-board equipment located on the deck of the towing vessel. A hydrometric pinwheel and a sound velocity sensor in water are connected to the antenna unit, connected via signal outputs to the corresponding on-board equipment of the signal processing unit. The sound velocity sensor is made in the form of a cylinder with slots, in which a piezoelectric element and a reflector are placed.
Рыбовидный груз - носитель антенн и датчиков измерителя - подвешен в воде на гибком тросе лебедки выносной стрелы судна и снабжен водяным стабилизатором положения в форме рыбьего хвоста.The fish-like cargo - the carrier of the antennas and gauge sensors - is suspended in the water on a flexible winch cable of the ship's boom and is equipped with a water stabilizer in the shape of a fish tail.
Недостатком известного бортового ультразвукового измерителя /6/ для измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах является пониженная точность измерений средней скорости проточной воды в водоеме, связанная с пониженной разрешающей способностью измерений, основанных на оценке доплеровской частоты в принимаемом спектре отраженных сигналов, с пониженной точностью измерений сноса судна на основе регистрации скорости поверхностного течения воды относительно поверхности судна гидрометрической вертушкой. Другим недостатком известного измерителя является невозможность проведения измерений при малых глубинах водоемов из-за недостаточной разрешающей способности эхолота и повышенной осадке судна, несущего подъемную стрелу и погружаемый в воду рыбовидный груз с антенным блоком и датчиками измерительной аппаратуры.A disadvantage of the known on-board ultrasonic meter / 6 / for measuring the flow velocity and water flow in open reservoirs is the reduced accuracy of measuring the average velocity of flowing water in a reservoir, associated with a reduced resolution of measurements based on an estimate of the Doppler frequency in the received spectrum of the reflected signals, with reduced accuracy drift measurements based on the registration of the speed of the surface water flow relative to the surface of the vessel with a hydrometer turntable. Another disadvantage of the known meter is the impossibility of taking measurements at shallow depths of water bodies due to insufficient resolution of the echo sounder and increased draft of a vessel carrying a boom and a fish-shaped load immersed in water with an antenna unit and sensors of measuring equipment.
Задачей и техническим результатом полезной модели является повышение точности измерений скорости течения и расхода воды в открытом водоеме.The objective and technical result of the utility model is to increase the accuracy of measuring the flow velocity and water flow in an open reservoir.
Сущность полезной модели.The essence of the utility model.
Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что бортовой ультразвуковой измеритель скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме содержит цифровой блок обработки сигналов, соединенный по зондирующим и отраженным сигналам с антенным блоком ультразвуковых преобразователей.The achievement of the claimed technical result and the solution of the problem is provided by the fact that the onboard ultrasonic flow velocity and water flow meter in an open reservoir contains a digital signal processing unit, connected via probing and reflected signals to the antenna unit of ultrasonic transducers.
Согласно полезной модели ультразвуковой измеритель выполнен в виде радиоуправляемого малогабаритного измерительного судна с движителем 18. На борту судна установлен цифровой блок 1 обработки сигналов, а на днище судна - антенный блок 11 ультразвуковых преобразователей. Цифровой блок 1 обработки сигналов, установленный на борту судна, содержит установленные на двунаправленной интерфейсной шине 10 сопряжения блок 8 автоматического управления измерениями, ультразвуковой передатчик 4 сложных зондирующих сигналов (ЗС) с аналоговым выходом, многоканальный приемник 5 ответных сигналов (ОС) с аналоговым входом и цифровым выходом, устройство 6 цифровой обработки ОС, устройство 7 привязки измерений к местности и радиомодем 9. Выход передатчика 4 и вход приемника 5 через антенный переключатель 3 соединен с антенным блоком 11 ультразвуковых преобразователей. Антенный блок 11 выполнен в форме равносторонней пирамиды 11, обращенной вершиной в сторону дна водоема. На боковых сторонах пирамиды 11 установлены ультразвуковые преобразователи 2 в виде плоских пьезокерамических антенн или ультразвуковых фазированных антенных решеток. Устройство 7 привязки измерений к местности выполнено в виде навигатора, гироскопа, магнитного компаса, акселерометра или датчиков системы GPS/ГЛОНАСС. Передатчик 4 ЗС и устройство 6 цифровой обработки ОС выполнены соответственно с возможностью генерации ЗС с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и возможностью корреляционной обработки ОС в диапазоне частот от 100 до 3000 кГц, вобуляцией несущей частоты и/или начальной фазы ЗС кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов. Для измерений скорости и расхода воды в водоемах на глубинах меньших осадки судна он дополнительно снабжен выдвижной или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2.According to a utility model, the ultrasonic meter is made in the form of a radio-controlled small-sized measuring vessel with a
Такое конструктивное выполнение бортового ультразвукового измерителя скорости течения и расхода воды в отрытом водоеме позволяет на каждом шаге измерений проводить рациональный выбор режима работы измерителя в зависимости от текущей глубины и скорости течения воды. При этом кодирование начальных фаз несущей частоты ультразвуковых ЗС зондирующих импульсов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов позволяет устранить декорелляцию сигналов, неоднозначность их считывания по дальности. В результате этого разрешающая способность измерений текущей глубины водоема доводится до нескольких миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с до 1-2 мм/с уменьшается абсолютная ошибка расчета текущей скорости для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн. Соответственно увеличивается точность измерения скорости течения и расхода воды в водоеме. Расширяется диапазон применения заявленного измерителя для скоростей течения воды в водоеме более 1 м/с и глубиной водоема более 15 м.Such a constructive implementation of an on-board ultrasonic flow velocity and water flow meter in an open reservoir allows at each measurement step to make a rational choice of the meter operation mode depending on the current depth and water flow velocity. In this case, the coding of the initial phases of the carrier frequency of ultrasonic ES of probe pulses with Barker codes, M-sequence, Jacobi codes, non-linear or additional sequences of modulating pulses allows to eliminate the decorleling of signals, the ambiguity of their reading in range. As a result, the resolution of measurements of the current depth of the reservoir is brought to several millimeters, in contrast to the resolution (≥5 ... 10 cm) of the prototype / 6 /. Also, from units cm / s to 1-2 mm / s, the absolute error in calculating the current speed for small water flow rates in the presence of standing waves decreases. Accordingly, the accuracy of measuring the flow velocity and water flow in a reservoir increases. The range of application of the inventive meter for water flow rates in a reservoir of more than 1 m / s and a reservoir depth of more than 15 m is expanding.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3.The invention is illustrated in FIG. 1-3.
На фиг. 1 представлена конструкция водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП) - измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, установленного на плоскодонной радиоуправляемой лодке с блоком ультразвуковых ромбических антенн, смонтированных на днище лодки, на фиг. 2 - вид блока антенн со стороны его подвески к днищу судна, а на фиг. 3 - алгоритм измерения скорости и расхода воды в водоеме с помощью указанного ВУП.In FIG. 1 shows the design of a water-floating ultrasonic profilometer (VUP) - a flow velocity and water flow meter in an open reservoir mounted on a flat-bottomed radio-controlled boat with a block of ultrasonic rhombic antennas mounted on the bottom of the boat, in FIG. 2 is a view of the antenna unit from the side of its suspension to the bottom of the vessel, and in FIG. 3 - an algorithm for measuring the speed and flow rate of water in a reservoir using the specified OPS.
На фигурах обозначены:In the figures indicated:
1 - судно носитель измерительного оборудования - водоплавающий ультразвуковой профилометр (ВУП);1 - vessel measuring equipment carrier - floating ultrasonic profilometer (VUP);
2 - ультразвуковой преобразователь (пьезокерамическая антенна);2 - ultrasonic transducer (piezoceramic antenna);
3 - антенный переключатель;3 - antenna switch;
4 - ультразвуковой передатчик зондирующих сигналов (ЗС);4 - ultrasonic transmitter of sounding signals (ZS);
5 - многоканальный приемник электрических ответных сигналов (ОС) ультразвуковой частоты с цифровым выходом;5 - multi-channel receiver of electrical response signals (OS) of ultrasonic frequency with a digital output;
6 - устройство цифровой обработки ответных сигналов (ОС);6 - a device for digital processing of response signals (OS);
7 - устройство привязки измерений к местности;7 - device binding measurements to the terrain;
8 - блок автоматического управления измерениями;8 - block automatic control of measurements;
9 - радиомодем для передачи данных измерений;9 - a radio modem for transmitting measurement data;
10 - двунаправленная интерфейсная шина сопряжения;10 - bidirectional interface bus interface;
11 - равносторонняя пирамида (основание блока пьезокерамических антенн 2);11 - equilateral pyramid (the base of the block of piezoceramic antennas 2);
12 - цифровой генератор зондирующих сигналов;12 - a digital generator of sounding signals;
13 - цифроаналоговый преобразователь;13 - digital-to-analog converter;
14 - усилитель мощности;14 - power amplifier;
15 - вычислитель глубины водоема;15 - calculator of the depth of the reservoir;
16 - управляемый цифровой коррелятор;16 - controlled digital correlator;
17 - вычислитель текущей скорости и расхода воды в водоеме;17 - calculator of the current speed and flow rate of water in the reservoir;
18 - движитель ВУП.18 - propulsion OPS.
Конструкция бортового ультразвукового измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме раскрыта на примере дистанционно управляемого водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП), разработанного заявителем. ВУП содержит цифровой блок обработки сигналов, установленный на борту малогабаритного плоскодонного судна 1, далее ВУП 1, и на днище ВУП 1 - блок пьезокерамических антенн 2. Антенны 2 соединены через антенный переключатель 3 с выходом ультразвукового передатчика 4 зондирующих сигналов (ЗС) и входами ультразвукового многоканального приемника 5 эхосигналов - ответных сигналов (ОС), отраженных от дна водоема, блок 8 автоматического управления измерениями и радиомодем 9 для передачи данных измерений.The design of an onboard ultrasonic meter for the speed of flow and water flow in an open pond is disclosed by the example of a remotely controlled floating ultrasonic profilometer (VUP) developed by the applicant. The OPS contains a digital signal processing unit installed on board the small flat-
При этом блок 8 автоматического управления измерениями и радиомодем 9 соединены по сигнальным и управляющим входам/выходам через двунаправленную интерфейсную шину 10 сопряжения с устройством 6 цифровой обработки эхосигналов и ультразвуковым передатчиком 4. Ультразвуковой приемник 5 выполнен с цифровым выходом, соединенным с первым сигнальным входом устройства 6 цифровой обработки эхосигналов, второй сигнальный вход которого соединен с устройством 7 привязки измерений к местности. Пьезокерамические антенны 2 выполнены в виде плоских антенн или фазированных антенных решеток, установленных на гранях равносторонней пирамиды 11, обращенной вершиной в сторону дна водоема. Передатчик 4 зондирующих сигналов содержит последовательно соединенные управляемый по амплитуде, частоте и фазе цифровой генератор 12 сложных зондирующих сигналов, цифроаналоговый преобразователь 13 и усилитель мощности 14. Устройство 6 цифровой обработки эхосигналов содержит последовательно соединенные вычислитель 15 глубины водоема, управляемый цифровой коррелятор 16 и вычислитель 17 текущей скорости и расхода воды в водоеме с привязкой к географическим координатам местоположения судна 1. Блок 8 автоматического управления измерениями выполнен в виде управляющей микроЭВМ, и снабжен программой автоматического управления измерениями, сравнения текущих значений глубины и скорости воды в водоеме с пороговым значением и программами переключения вида модуляции цифрового генератора 12 и соответствующего вида корреляционной обработки в цифровом корреляторе 16 при приближении результатов сравнения к пороговому значению. Цифровой генератор 12 и цифровой коррелятор 16 выполнены с возможностью синхронного изменения режима модуляции ЗС и режима корреляционной обработки ОС соответственно в зависимости от параметров водоема в месте измерений под управлением микроЭВМ блока 8. Генератор 12 выполнен с возможностью вобуляции и/или импульсно кодовой модуляции несущей частоты и/или начальной фазы ЗС кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов под управлением блока 8. Несущая частота зондирующих сигналов генератора 12 выбрана в диапазоне ультразвуковых частот от 100 до 3000 кГц. Для измерения скорости и расхода воды в водоемах, на глубинах меньших осадки судна, ультразвуковой измеритель дополнительно снабжен выдвижной или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2. Выдвижная пьезокерамическая антенна 2 снабжена кабелем для подключения к антенному переключателю 3 измерителя. Самодвижущаяся пьезокерамическая антенна 2 снабжена бензиновым или электрическим движителем 18 и беспроводной Wi-Fi связью с подключением к антенному переключателю 3 измерителя. Устройство 7 привязки измерений к местности выполнено в виде навигатора, гироскопа, магнитного компаса, акселерометра или датчиков системы GPS/ГЛОНАСС.Moreover, the automatic
Согласно фиг. 3 ультразвуковое измерение скорости течения и расхода воды в открытом водоеме с помощью ВУП 1 производится следующим образом.According to FIG. 3 ultrasonic measurement of flow velocity and water flow in an open
ВУП 1 устанавливают на поверхность водоема у одного из берегов его русла. Ориентируют направление движения ВУП 1 перпендикулярно направлению течения воды в водоеме. На бортовое оборудование 2-17 ВУП 1 подают электропитание, например от бортового аккумулятора или бензинового электрогенератора. После выхода на рабочий режим оборудования 2-17 включается движитель 18. При этом ВИП 1 движется по воде в направлении противоположного берега водоема. Одновременно в процессе движения ВУП 1 производится пошаговое ультразвуковое измерение параметров водоема, включая текущие глубину Δdn, скорость ΔVn воды, расход ΔWn, воды и угол Δβ(n) сноса ВУП 1 течением воды. На каждом шаге измерений генератор зондирующих сигналов (ЗС) генерирует электрические импульсы ультразвуковой частоты в диапазоне несущих частот от 300 до 3000 кГц. Эти электрические ЗС через антенный переключатель 3 передаются на блок пьезокерамических антенн 2, где преобразуются на основе эффекта электрострикции в энергию механических колебаний ультразвуковой частоты и продольные ультразвуковые волны излучаются в направлении дна водоема. Ультразвуковые волны ЗС, отраженные от дна водоема принимаются антеннами 2, преобразуются в электрические отраженные сигналы (ОС) ультразвуковой частоты и через антенный переключатель 3 передаются на ультразвуковой многоканальный приемник 5 ультразвуковых ОС, отраженных от дна водоема. В приемнике 5 электрические ОС усиливаются, преобразуются в цифровую форму и передаются на устройство 6 цифровой обработки эхосигналов. В устройстве 6 по задержке ОС относительно ЗС определяется текущая глубина dn водоема и по результатам фазовой корреляционной обработки множества ОС - текущая скорость ΔVn течения воды. Данные измерений глубины и скорости течения воды через шину 10 передаются в блок 8 управления. В блоке 8 производится сравнение численных значений глубины Δdn и скорости ΔVn течения воды с пороговыми значениями Δdnгр ~ 2-6 м, ΔVn гр ~ 0,5-0,8 м/с и выбор оптимального режима измерений и корреляционной обработки ОС с точки зрения повышения точности измерений из условия:
--(Δdn≥Δdnгр м)∩(Vn≥ΔVn гр м/с) - Режим «А», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов + импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих сигналов (ЗС) + внутриимпульсную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС) с временным интервалом внутри импульса 0,04<ΔТ1<0,4 мс;- (Δdn≥Δdn g m) ∩ (Vn≥ΔV n g m / s) - “A” mode, including periodic emission of single-frequency ultrasonic pulses + pulse code modulation of the carrier frequency and / or the initial phase of the probing signals (ZS) + intrapulse correlation processing of response signals (OS) with a time interval within the pulse of 0.04 <ΔТ1 <0.4 ms;
-- Иное - Режим «Б», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов с разницей периодов повторений ΔТ2 + междупериодную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС).- Other - Mode “B”, including periodic emission of single-frequency ultrasonic pulses with a difference in repetition periods ΔТ2 + inter-period correlation processing of response signals (OS).
При этом:Wherein:
численное значение величины Δβ(3(n) сноса судна течением воды определяют на основе навигационных измерений пространственного положения судна;the numerical value of Δβ (3 (n) drift of the vessel by the flow of water is determined on the basis of navigation measurements of the spatial position of the vessel;
в каждом режиме измерений «А» и «Б» производят раздельное накопление и корреляционную обработку отраженных эхосигналов;in each measurement mode "A" and "B" produce separate accumulation and correlation processing of the reflected echo signals;
в режиме «А» измеряют коэффициент внутриимпульсной корреляции ρΔT1;in “A” mode, the intrapulse correlation coefficient ρ ΔT1 is measured ;
в режиме «Б» - проводят расчет междупериодного коэффициента корреляции ρΔT2;in the "B" mode - the inter-period correlation coefficient is calculated ρ ΔT2 ;
в режимах «А» и «Б» вычисляют аргументы arg(ρΔT1) или arg(ρΔT2);in modes "A" and "B", the arguments arg (ρ ΔT1 ) or arg (ρ ΔT2 ) are calculated ;
в режимах «А» и «Б» текущую радиальную скорость Vn течения воды определяют по найденному значению аргумента arg(ρΔT1) или arg(ρΔT2) коэффициента корреляции из условияin modes "A" and "B", the current radial velocity V n of the water flow is determined by the found value of the argument arg (ρ ΔT1 ) or arg (ρ ΔT2 ) of the correlation coefficient from the condition
где ΔTi - временной интервал внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс для метода «А» или разность периодов повторений ультразвуковых импульсов ΔT2 в режиме «Б»;where ΔTi is the time interval inside the pulse 0.04 <ΔT1 <0.4 ms for method "A" or the difference in the repetition periods of ultrasonic pulses ΔT2 in mode "B";
λ - длина волны ультразвукового излучения.λ is the wavelength of ultrasonic radiation.
При малой глубине водоема (Δdn≤Δdnгр) и одновременно повышенной скорости течения воды (ΔVn≥ΔVn гр) блок 8 управления автоматически включает режим «А» измерений, иначе - режим «Б». В режиме «А» (фиг. 1) в передатчике 4 производится импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) несущей частоты ЗС и генерация двух последовательностей одночастотных ИКМ -импульсов, с разностью периодов следования ΔT≥0,2 мс и с частотой электрических колебаний из диапазона ультразвуковых частот от 300 до 3000 кГц. Сформированные в передатчике 4 электрические ЗС через антенный переключатель 3 передаются на блок пьезокерамических антенн 2, преобразуются за счет эффекта электрострикции в механические колебания и излучаются в направлении дна водоема в виде ультразвуковых продольных волн. Проходя через толщу воды, излученные ЗС и отраженные ОС с ИКМ – модуляцией, получают допплеровские сдвиги по частоте и фазе, пропорциональные скорости ΔVn движения воды в водоеме. Отраженные от дна водоема ОС с ИКМ - модуляцией, несущие уточненную информацию о текущей глубине Δdn и скорости ΔVn течения воды, принимаются пьезокерамическими антеннами 2, преобразуются в электрические сигналы ультразвуковой частоты и через антенный переключатель 3 передаются на соответствующие приемные каналы многоканального приемника 5. В приемнике 5 с цифровым выходом принятые ИКМ - сигналы усиливаются, преобразуются в цифровую форму и передаются в устройство 6 цифровой обработки эхосигналов. В устройстве 6, включенном в режиме «А» на корреляционную обработку двух последовательностей одночастотных ИКМ - импульсов с разностью периодов следования ΔТ≥0,2 мс, производится (под программным управлением блока 8) высокоточное измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔVn течения воды в корреляторе 16. При этом в корреляторе 6 производится расчет внутриимпульсных коэффициентов корреляции ρT1 и ρT2 отраженных ИКМ-сигналов и затем расчет междупериодного коэффициента их взаимной корреляции ρmod из выражения (8) и далее - численного значения его аргумента arg(ρmod). По найденному значению аргумента arg(ρmod) коэффициента взаимной корреляции из выражения (10) определяют текущую радиальную скорость ΔVn течения воды и текущий расход ΔW воды из выражения (12).At a shallow depth of the reservoir (Δdn≤Δdn gr ) and at the same time increased water flow rate (ΔV n ≥ΔV n gr ), the
При повышенной текущей глубине водоема (Δdn>Δdnrp) и/или малой текущей скорости течения воды (ΔVn<ΔVn гр) автоматически включается режим «Б» измерений (фиг. 1).With increased current depth of the reservoir (Δdn> Δdn rp ) and / or low current velocity of the water flow (ΔV n <ΔV n gr ), the “B” measurement mode is automatically activated (Fig. 1).
В режиме «Б» корреляционной обработки в цифровом генераторе 12 меняется вид модуляции ЗС с ИКМ на вобуляцию, например линейную, несущей частоты ЗС, а в цифровом корреляторе 16 меняется вид корреляционной обработки с внутриимпульсной на междупериодную, производится расчет междупериодного коэффициента ρmod корреляции из выражения (9). Далее по найденному значению ρmod определяют аргумент arg(ρmod) коэффициента взаимной корреляции и из выражения (10) определяют текущую радиальную скорость ΔVn течения воды и из выражения (2) - текущий расход ΔWn водыIn the “B” mode of correlation processing in the
. .
Независимо от применяемого режима корреляционной обработки ОС измерение угла Δβ(n) сноса ВУП 1 течением воды на каждом шаге измерений производится навигационной аппаратурой устройства 7 привязки измерений к местности. В качестве навигационной аппаратуры может быть использован гироскоп, магнитный компас, акселерометр или датчик системы GPS/ГЛОНАСС.Regardless of the OS correlation processing mode used, the measurement of the drift angle Δβ (n) of the
На очередном шаге измерений (n=n+1, n≤N) процесс измерений и запоминание текущих значений угла Δβ(n) сноса измерений, радиальной скорости ΔVn течения воды и расхода ΔW воды в открытом водоеме повторяется.At the next measurement step (n = n + 1, n≤N), the measurement process and storing the current values of the drift angle Δβ (n), the radial velocity ΔV n of the water flow and the flow ΔW of water in the open reservoir is repeated.
По прибытию ВУП 1 на противоположный берег (n>N) процесс текущих измерений параметров водоема в процессе движения ВУП 1 завершается. Блок 8 считывает данные пошаговых измерений, производит их интегрирование и рассчитывает параметры русла водоема, включая среднюю скорость V, расход W проточной воды, длину L и площадь S поперечного профиля водоема из представленных ниже выражений (3-7).Upon arrival of
где ΔVn, Δdn, Δβ, ΔWn, - текущие значения скорости ΔVn воды, толщины Δdn водяного слоя (текущая глубина водоема), угла сноса линии измерений, удельного расхода ΔWn проточной воды;where ΔV n , Δd n , Δβ, ΔWn, are the current values of the water velocity ΔV n , the thickness of the water layer Δd n (current reservoir depth), the drift angle of the measurement line, the specific flow rate ΔWn of flowing water;
ΔLn, Δt - длинна пространственного и временного шага вдоль линии L измерения;ΔL n , Δt is the length of the spatial and temporal step along the line L of the measurement;
n, N - текущий номер и общее количество шагов измерений;n, N - current number and total number of measurement steps;
Δt - интервал ультразвуковых измерений;Δt is the interval of ultrasonic measurements;
tc - общее время ультразвуковых измерений (время движения судна от одного берега водоема к другому);t c - total time of ultrasonic measurements (time of movement of the vessel from one shore of the reservoir to the other);
Δβ(n) - текущий угол сноса судна, несущего измерительную аппаратуру, течением воды.Δβ (n) is the current drift angle of the vessel carrying the measuring equipment by the flow of water.
Результаты пошаговых и конечных измерений передаются блоком 8 через шину 10 и радиомодем 9 конечному потребителю параметров русла водоема.The results of step-by-step and final measurements are transmitted by
При невозможности подхода ВУП 1 к противоположному берегу из-за глубины водоема, меньшей осадки ВУП 1 измерение конечных параметров водоема осуществляется выдвижной или самодвижущейся пьезокерамической антенной 2. Передача данных измерений в этом случае осуществляется через проводную или беспроводную линию связи, подсоединенную к антенному переключателю 3 измерителя.If it is impossible to approach
Полезная модель реализована в виде опытного образца ВУП. ВУП позволил довести разрешающую способность измерений глубины водоема до нескольких миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с уменьшилась абсолютная ошибка расчета текущей скорости движения воды до 1-2 мм/с для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн. Соответственно увеличилась точность измерения скорости течения и расхода воды в водоеме.The utility model is implemented as a prototype OPS. OPS allowed to bring the resolution of measurements of the depth of the reservoir to several millimeters, in contrast to the resolution (≥5 ... 10 cm) of the prototype / 6 /. Also, the absolute error in calculating the current water velocity to 1-2 mm / s for small water flow velocities in the presence of standing waves decreased from units cm / s. Accordingly, the accuracy of measuring the flow velocity and water flow in a reservoir has increased.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описанияSources of information taken into account when compiling the description
1. US 5531124, 02.07.1996.1. US 5531124, 07/02/1996.
2. JP 2676321, 25.07.1998.2. JP 2676321, 07.25.1998.
3. Ультразвуковой расходомер UF-2100С, фирма Ultraflux Co.3. Ultrasonic flowmeter UF-2100C, company Ultraflux Co.
4. DE 19722140, 12.11.1997.4. DE 19722140, 12.11.1997.
5. RU 2193208, 20.07.2001.5. RU 2193208, 07.20.2001.
6. RU 2045002, 27.09.1995.6. RU 2045002, 09.27.1995.
7. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Под редакцией Я.Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007.7. Radio-electronic systems: Fundamentals of construction and theory. Directory. Edited by Y.D. Shirman. M .: Radio engineering, 2007.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145855U RU171822U1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145855U RU171822U1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU171822U1 true RU171822U1 (en) | 2017-06-16 |
Family
ID=59068860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016145855U RU171822U1 (en) | 2016-11-22 | 2016-11-22 | On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU171822U1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2664456C2 (en) * | 2016-11-22 | 2018-08-20 | Геннадий Петрович Бендерский | Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water |
EP4212829A1 (en) * | 2022-01-12 | 2023-07-19 | Diehl Metering GmbH | Method and measuring device for determining a measurement variable relating to a flow |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2045002C1 (en) * | 1992-05-18 | 1995-09-27 | Борис Ефимович Васильев | Device for measuring flow rate of water in river from running vessel |
JP2676321B2 (en) * | 1993-08-25 | 1997-11-12 | 株式会社昌民物産 | Ultrasonic flow measurement method and device |
DE19722140A1 (en) * | 1996-05-27 | 1997-12-11 | Changmin Co | Multiple channel ultrasonic metering system for fluid flow in pipes |
-
2016
- 2016-11-22 RU RU2016145855U patent/RU171822U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2045002C1 (en) * | 1992-05-18 | 1995-09-27 | Борис Ефимович Васильев | Device for measuring flow rate of water in river from running vessel |
JP2676321B2 (en) * | 1993-08-25 | 1997-11-12 | 株式会社昌民物産 | Ultrasonic flow measurement method and device |
DE19722140A1 (en) * | 1996-05-27 | 1997-12-11 | Changmin Co | Multiple channel ultrasonic metering system for fluid flow in pipes |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Радиоэлектронные сисетмы: Основы посторения и теория. Спаравочник. Под редакцией Я.Д.Ширмана. М.: Радиотехника, 2007. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2664456C2 (en) * | 2016-11-22 | 2018-08-20 | Геннадий Петрович Бендерский | Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water |
EP4212829A1 (en) * | 2022-01-12 | 2023-07-19 | Diehl Metering GmbH | Method and measuring device for determining a measurement variable relating to a flow |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8411530B2 (en) | Multi-frequency, multi-beam acoustic doppler system | |
US4532617A (en) | System for locating a towed marine object | |
CN109116360B (en) | A kind of deep-sea real-time high-precision locating method and system | |
US20200141965A1 (en) | Horizontal acoustic sediment and current profiler apparatus and methods | |
CN105004413B (en) | Acoustic propagation path comprehensive speed assay method and device for submarine target positioning | |
RU2426149C1 (en) | Sonar location complex | |
CN102749622A (en) | Multiwave beam-based depth-sounding joint inversion method for sound velocity profile and seafloor topography | |
CN102866384A (en) | Large-sized underwater hoisting structure position posture real-time measuring device | |
CN108919274B (en) | Shallow water wave following scanning detection system based on single wave beam and working method thereof | |
CN109029460A (en) | Air navigation aid, system and device of the deep-sea vehicle to monitor surface platform ranging | |
RU2343502C2 (en) | Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium | |
RU171822U1 (en) | On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir | |
RU2527136C1 (en) | Method of measuring depth of object using sonar | |
RU2664456C2 (en) | Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water | |
RU2689281C1 (en) | Method for navigation-information support of deep-sea autonomous unmanned underwater vehicle | |
RU2596244C1 (en) | Arctic underwater navigation system for driving and navigation support of water surface and underwater objects of navigation in constrained conditions of navigation | |
RU75060U1 (en) | ACOUSTIC LOCATION SYSTEM OF NEAR ACTION | |
CN202770991U (en) | Large-scale underwater hoisting structure position posture real-time measurement apparatus | |
RU2529207C1 (en) | Navigation system for towed underwater vehicle | |
CN104111349A (en) | Doppler velometer | |
RU2576352C2 (en) | Towed device for measurement of acoustic characteristics of sea ground | |
RU168083U1 (en) | ACOUSTIC WAVE GRAPH | |
RU2681259C2 (en) | Two-coordinate sounder | |
RU2681249C1 (en) | Water reservoirs bottom depth and relief changes prediction method | |
TWI493212B (en) | Water positioning method and system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20171123 |
|
NF9K | Utility model reinstated |
Effective date: 20190620 |
|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20201123 |