Акустический корреляционныйСпОСОб изМЕРЕНия СКОРОСТи пОТОКАжидКОСТи Советский патент 1981 года по МПК G01P5/24 G01F1/66 

Изобретение относится к гидроакус тике и может быть применено на судах и других плавакяцих объектах для дистанционного неконтактного определения скорости течения в морях и океанах на значительных глубинах. Известен акустический способ измерения скорости потоков идкости путем облучения потока жидкости двумя импульсными ультразвуковыми сигна лами вдоль некоторого направления и скорости течения и приема эхо-сигналов, отраженных от одних и тех же рассеивающих областей потока. Способ характеризуется тем, что измеряют раэ|ность времени прохождения первого и ВТОРОГО эхо-колебаний 1, Известен также акустический способ измерения скорости потока жидкое ти в трубопроводах, заключающийся в наклонном вводе двух акустических сигналов в среду по направлению пото ка и против него, приема двух эхосигналов и определения разности времени их прихода, которая является ме рой скорости потока 2. Однако, зти способы реализуются только в том случае, когда излучатели и приемники акустических сигналов находятся в непосредственной близости от потока. Наиболее близким к -предлагаемому является акустический корреляционный способ измерения скорости потока жидкости, заключающийся в том, что используют состоящую из двух каналов систему приемопередатчиков для облучения потока импульсными акустическими сигналами, принимают от двух равнонесенных вдоль потока на фиксированное расстояние рассеивающих областей и модулированных ими сигналы, выделяют их огибающие, фильтруют и измеряют коэффициент взаимной корреляции огибающих 3. В указанном.способе используют двухканальную систему приемопередатчиков, разнесенных на фиксированное расстояние Ud вдоль трубы. Облучают в поперечном направлении импульсными акустическими сигналами движущийся со скоростью V в трубе поток жидкости, содержащий естественные рассеивающие центры, которыми могут быть флуктуации показателя преломления, взвеси и т,д., движущиеся вдоль трубы в когерентной форме с потоком. В прошедших через поток модулированных по амплитуде рассеивающими обласТями акустичедких сигналах вьаделяют огибгиощие, фильтруют и измеряют коэффициент взаимной корреляции (КВФ), прошедший через фильтра двух сигналов x(t) и y(t) в терминах временно го сдвига:т . R. лг) f bcir-y() о Максимум этой функции наблюдается при значении временного сдвига t , соответствующего.времени прохождения рассеивателями а, следовательно, и noTOKOivi расстояния Д d между приемопередатчиками, что позволяет определять скорость потока V - . В известном способе поток жидкости, скорость которого измеряют, должен быть расположен между приемопере датчиками, что существенно затрудняет его использование для неконтактно го дистанциониого измерения скоростей течения потоков р открытых водое мах, морях и океанах. Цель изобретения - обеспечение возможности дистанционного неконтакт ного определения скорости потоков жидкости Поставленная цель достигается тем что поток сблучают под углом к напра лению его скорости, а перед фильтрацией с помощью стробирования выделяют два сигнала, отражённые от двух разнесенных вдоль луча рассеивающих областей. Облучение потока жидкости акустическими сигналами под углом cL к направлению скорости потока позволяет выделить составляющую скорости у, рассейвателей в потоке на акустический луч, которые перемещаются вместе с потоком в когерентном виде. Это справедливо при выполнении условия, что продольная диффузия рассеивателей мала по сравнению со средней ско ростью потока жидкости. Составляющая скорости потока V Vcccos t , где Vot - азимутальная составляющая. Стробирование осуществляет вьвделе ние двух эхо-сигналов, отраженных от двух разнесенных вдоль .луча на фикси рованное расстояние рассеивающих област й, рассеивающие неоднородности которых замороженно переносятся потоком из объема а в объем б, пересекая при этом диаграмму направленности. Вследствие этого, флуктуации огибающих сигналов, рассеянных объемаии- а и б оказываются статически взаимосвязанными и вычисление взаимной корреляционной функции (ВКФ) дает возможность определить время, в течение которого рассеиватели перено сятся потоком из объема а в объем б. Предлагаемый способ позволяет получать осредненные во времени (проце дурой вычисления ВКФ) и по пространству (размерами диаграмм) значения составляющей скорости на луч на боль ших расстояниях от излучателя (100200 м), так как используют импульсные акустические сигналы частотой 20100 кГц, поглощение которых в толще воды невелико. Предлагаемый способ включает следующие операции. Исследуемый поток облучают импульсными акустическими сигналами частотой 20-100 кГц под угломк скорости потока. Принимают отраженные эхо-сигналы, модулированные рассеивателями среды. Выделяют огибающую модулированных сигналов. Стробированием выделяют два эхосигнала, отраженные от двух разнесенных вдоль луча на фиксированное расстояние рассеивающих областей. Выделенные сигналы фильтруют. Измеряют временную взаимную корреляционную функцию отфильтрованных сигналов. На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего данный способ. Исследуемый поток облучают импульсным акустическим сигналом передатчика 1 с помощью преобразователя 2 с диаграммой направленности 5-10 под углом 30-60 к горизонту. Отраженныз от рассеивателей, находящихся в потоке жидкости, эхо-сигналы поступают в приемник 3, в котором сигналы усиливают. Далее сигналы поступают в амплитудный детектор 4,, в котором выделяют огибающую эхосигналов. Далее сигналы стро ируют в схеме стробирования, состоящей из генератора 5 стробов и;двух стробирующих каскадов б и 7, I в которых ВЕВделяют эхо-сигналы, отраженные от рассеивающих областей а и б, разнесенных вдоль луча на фиксированное расстояние Ad. Выделенные сигналы поступают соответственно на фильтры 8 и 9первого и второго каналов, а затем коррелометр 10, в котором измеряют временную корреляционную функцию флуктуации огибйощих сигналов , рассеянных вдоль луча объемами а и б. Временная взаимная корреляционная функция флуктуации амплитуды двух эхо-сигналов имеет максимум, смещенный относительно нуля на интервал времени tmf в течение которого рассеиватели из объема а попадут в объем б, переносимые потоком в направлении акустического сигналЬ. Результата измерения поступают в быходное устройство 11. Работа всей схемы синхронизируется задающим генератором 12. Таким образом, скорость V, с которой перемещаются рассеиватели (а следовательно, и поток жидкости в целом) в направлении акустического сигнала, определяется как V - Д 2- г

Сосгавляюдая скоросля потока жидкости Vjj связана г; азимутальной скоростью потока Vp следующим образом:

Cos d.

Таким образом, предлагаемый способ реализуется для измерения скорости достаточно протяженных потоков (река, канал, море), где реализация известного способа невозможна без погружения излучателей и приемников в исследуемый поток на разные глубины со строгой фиксацией взаиморасположения. . .

Кроме того, для реализации предлагаемого способа достаточно одноканальной системы приемопередатчика,в то время как в известном используются два когерентных акустических излучателя.

Формула изобретения

Акустический корреляционный способ измерения скорости потока жидкости, включающий в себя облучение потока импyльcны vlи акустическими сигналами, прием отраженных от рассеиваюз1Их областей и модулированшЯС ими сигналов,, выделение их огибаю:цей фильтрацию и, измерение коэффициента взаимной корреляции, отличающ и и с я тем, что, с целью обеспечения возможности дистанционного неконтактного определения скорости по-, токов, поток облучают под углом к направлению его скорости, затем перед фильтрацией с помощью стробирования выделяют два отраженных сигнала.

Источники информации, 5 принятые во внимание .при экспертизе .

1. Патент США 3914999, кл. 73-194 А, 1975.

20 2. Авторское свидетельство СССР 459731, кл. G 01 Р 5/00, 1969.

3. Патент Великобритании 1359151, кл. Н 4 D, 1974.