RU2664456C2 - Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water - Google Patents

Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water Download PDF

Info

Publication number
RU2664456C2
RU2664456C2 RU2016145752A RU2016145752A RU2664456C2 RU 2664456 C2 RU2664456 C2 RU 2664456C2 RU 2016145752 A RU2016145752 A RU 2016145752A RU 2016145752 A RU2016145752 A RU 2016145752A RU 2664456 C2 RU2664456 C2 RU 2664456C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
water
ultrasonic
reservoir
flow
velocity
Prior art date
Application number
RU2016145752A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016145752A3 (en
RU2016145752A (en
Inventor
Геннадий Петрович Бендерский
Иван Сергеевич Вылегжанин
Ольга Викторовна Вылегжанина
Анатолий Николаевич Корнеев
Александр Иванович Пономаренко
Александр Александрович Пушков
Original Assignee
Геннадий Петрович Бендерский
Иван Сергеевич Вылегжанин
Ольга Викторовна Вылегжанина
Анатолий Николаевич Корнеев
Александр Иванович Пономаренко
Александр Александрович Пушков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Геннадий Петрович Бендерский, Иван Сергеевич Вылегжанин, Ольга Викторовна Вылегжанина, Анатолий Николаевич Корнеев, Александр Иванович Пономаренко, Александр Александрович Пушков filed Critical Геннадий Петрович Бендерский
Priority to RU2016145752A priority Critical patent/RU2664456C2/en
Publication of RU2016145752A3 publication Critical patent/RU2016145752A3/ru
Publication of RU2016145752A publication Critical patent/RU2016145752A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2664456C2 publication Critical patent/RU2664456C2/en

Links

Images

Classifications

    • 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

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: proposed method includes a sequence of the following actions: - step-by-step (with a given time interval) ultrasonic measurement of water velocity in the cross section of water channel based on exploration of water column from the broadside of floating measure, for example, installed on a radio-controlled boat; - registration at each step of measuring the current value of horizontal angle crab of the meter by flow of water from the navigation measurement data, and – current depth of the water and the radial velocity of water flow by time delay and the Doppler frequency shift of call out relative to the frequency of the explorative pings; - comparison of the current depth of the water and the radial velocity of water flow with threshold requirement for selecting a rational measurement regime in terms of increasing the accuracy of measurements parameters of the water; - the choice, depending on the sign and the value of the comparison results of a rational measurement regime, including rational choice of the parameters of exploration pings, their kind of modulation and corresponding type of digital correlation processing of response signals; - integration of the results of step-by-step measurements and determination of average speed of water flow and water flow in the cross-section of the water channel based on the found values of current depth of the water, the radial velocity of water and the angle crab of the ultrasonic meter.EFFECT: technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring the flow velocity and flow rate of running water in an open water.3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковым способам измерения скорости течения и расхода воды в открытых водоемах, например в русле реки или водоканала.The invention relates to ultrasonic methods for measuring the flow velocity and flow rate of water in open water bodies, for example, in a river or water channel.

Известен ультразвуковой способ /1-3/ измерения скорости V течения воды на основе излучения импульсов ультразвуковых синусоидальных волн от одного берега водоема к другому перпендикулярно направлению движения воды, регистрации разности времен прямого t1 и обратного t2 распространения ультразвука в воде в поперечном сечении реки и вычислении средней скорости V течения воды из выражения:The known ultrasonic method / 1-3 / measuring the velocity V of the water flow based on the emission of pulses of ultrasonic sinusoidal waves from one side of the reservoir to the other perpendicular to the direction of water movement, recording the time difference of the forward t 1 and reverse t 2 ultrasound propagation in the water in the river cross section and calculating the average speed V of the water flow from the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

где:Where:

d - уровень воды в водоеме;d is the water level in the pond;

L - расстояние между разнесенными ультразвуковыми преобразователями, установленными на дне и на поверхности воды противоположных сторон водоема соответственно.L is the distance between spaced ultrasonic transducers mounted on the bottom and on the water surface of opposite sides of the reservoir, respectively.

При этом расход W воды может быть определен из условияThe flow rate W of water can be determined from the condition

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
- площадь поперечного сечения воды в русле водоема.Where
Figure 00000003
- the cross-sectional area of water in the channel of the reservoir.

Недостатком известного способа /1-3/ измерения является пониженная точность измерений скорости V течения воды. Для обеспечения точности ≤1% измерений абсолютная погрешность измерения разности времен Δt=t2-t1 не должна превышать 3⋅10-11 с. Измерение такой разности времен требует наличия относительно сложного устройства для измерения. Кроме того, площадь ΔS поперечного сечения воды и распределение ΔV скорости течения в русле водоема в открытом объеме зависит от рельефа дна и трудно измеряемы. Это дополнительно снижает точность измерений скорости течения и расхода воды в руслах рек.The disadvantage of this method / 1-3 / measurement is the reduced accuracy of measuring the speed V of the water flow. To ensure accuracy ≤1% of measurements, the absolute error of measuring the time difference Δt = t 2 -t 1 should not exceed 3⋅10 -11 s. Measuring such a time difference requires a relatively sophisticated measurement device. In addition, the cross-sectional area ΔS of the water and the distribution ΔV of the flow velocity in the channel of the reservoir in the open volume depend on the topography of the bottom and are difficult to measure. This further reduces the accuracy of the measurements of the flow velocity and water flow in river beds.

Известен ультразвуковой способ /4/ измерения скорости V течения воды на основе на основе ультразвукового зондирования воды в водоеме от одного берега к другому перпендикулярно направлению движения воды, измерения разности фаз Δϕ ультразвука и вычисление скорости V течения воды из выражения:The known ultrasonic method / 4 / measuring the velocity V of the water flow based on the basis of ultrasonic sounding of water in a reservoir from one shore to another perpendicular to the direction of water movement, measuring the phase difference Δϕ of ultrasound and calculating the velocity V of the water flow from the expression:

Figure 00000004
Figure 00000004

где:Where:

Figure 00000005
- частота ультразвука;
Figure 00000005
- frequency of ultrasound;

α - угловое направление ультразвука (угловой наклон линии L относительно дна водоема);α is the angular direction of ultrasound (the angular slope of the line L relative to the bottom of the reservoir);

С - скорость ультразвука в воде.C is the speed of ultrasound in water.

При этом расход W воды, как и в предыдущем техническом решении, может быть определен из условия (2)In this case, the water consumption W, as in the previous technical solution, can be determined from the condition (2)

W=V⋅ΔS,W = V⋅ΔS,

где

Figure 00000003
- площадь поперечного сечения воды в русле водоема.Where
Figure 00000003
- the cross-sectional area of water in the channel of the reservoir.

Недостатком известного ультразвукового способа /4/ измерения скорости воды согласно /5/ является трудность применения в реках с расширенным руслом. Это связано со следующим. Во первых, из-за увеличенного значения L пути распространения ультразвука трудно принимать передаваемую ультразвуковую волну, а принимаемый импульс принимает форму «колокола» из-за серьезной проблемы затухания. Увеличение интенсивности ультразвуковой волны и/или уменьшении частоты импульса для компенсации затухания приводит к возникновению явления кавитации, препятствующей распространению ультразвука. Во-вторых, амплитуда ультразвуковой волны при кавитации сильно пульсирует, вследствие чего ультразвуковая волна рассеивается и отражается из-за различных величин вихревых токов, изменения концентрации плавающих частиц, изменения температуры воды. Сильное затухание и пульсация ультразвукового импульса создают много погрешностей при фиксации момента, когда приходит ультразвуковой импульс. Таким образом, погрешность измерения скорости течения увеличивается.A disadvantage of the known ultrasonic method / 4 / measuring the speed of water according to / 5 / is the difficulty of application in rivers with an extended channel. This is due to the following. First, because of the increased L of the ultrasound propagation path, it is difficult to receive the transmitted ultrasonic wave, and the received pulse takes the form of a “bell” due to a serious attenuation problem. An increase in the intensity of the ultrasonic wave and / or a decrease in the frequency of the pulse to compensate for the attenuation leads to the appearance of cavitation, which prevents the propagation of ultrasound. Secondly, the amplitude of the ultrasonic wave during cavitation strongly pulsates, as a result of which the ultrasonic wave scatters and reflects due to various eddy currents, changes in the concentration of floating particles, and changes in water temperature. The strong attenuation and pulsation of the ultrasonic pulse create many errors in fixing the moment when the ultrasonic pulse arrives. Thus, the error in measuring the flow velocity increases.

Если L=10 м, V=3 м/с,

Figure 00000006
и С=1500 м/с в относительно малом открытом русле, разность фаз Δϕ такова:If L = 10 m, V = 3 m / s,
Figure 00000006
and C = 1500 m / s in a relatively small open channel, the phase difference Δϕ is as follows:

Figure 00000007
Figure 00000007

Поскольку разность фаз превышает π радиан, невозможно проводить однозначное измерение скорости течения на основании измерения разности фаз. Другим недостатком известного ультразвукового способа измерения из условия (3) требует отдельного измерения скорости звука в конкретном водоеме.Since the phase difference exceeds π radians, it is not possible to unambiguously measure the flow rate based on the measurement of the phase difference. Another disadvantage of the known ultrasonic measuring method from condition (3) requires a separate measurement of the speed of sound in a particular reservoir.

Кроме того, площадь ΔS поперечного сечения воды и распределение ΔV скорости течения в русле водоема в открытом объеме зависит от рельефа дна и трудно измеряемы. Это дополнительно, как и в предыдущем техническом решении, снижает точность измерений скорости течения и расхода воды в руслах рек.In addition, the cross-sectional area ΔS of the water and the distribution ΔV of the flow velocity in the channel of the reservoir in the open volume depend on the topography of the bottom and are difficult to measure. This additionally, as in the previous technical solution, reduces the accuracy of measuring the flow velocity and water flow in river channels.

Известен ультразвуковой способ /5/ измерения скорости V течения воды на основе комбинации способа /2/, регистрирующего разность времен распространения ультразвуковых колебаний, и способа /4/, регистрирующего разность фаз, в зависимости от размера интервала L, на котором измеряют скорость течения.A known ultrasonic method / 5 / measuring the velocity V of the water flow based on a combination of the method / 2 /, which records the difference in the propagation times of ultrasonic vibrations, and the method / 4 /, which records the phase difference, depending on the size of the interval L, on which the flow velocity is measured.

Указанный способ /5/ измерения скорости течения воды включает измерение по меньшей мере двух разностей времен распространения незатухающих ультразвуковых синусоидальных волн в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения и вычисление скорости течения. При этом осуществляют амплитудную модуляцию незатухающей ультразвуковой синусоидальной волны несущей частоты

Figure 00000008
сигналом с частотой
Figure 00000009
модуляции, меньшей, чем несущая частота
Figure 00000008
, в течение периода
Figure 00000010
и осуществляют распространение амплитудно-модулированных сигналов в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения. Далее осуществляют демодуляцию принимаемых амплитудно-модулированных сигналов после распространения их в противоположных направлениях под углом α к направлению скорости течения. Для детектирования сигнала частоты fм амплитудной модуляции, измеряют, по меньшей мере, два временных интервала между моментом амплитудной модуляции сигнала несущей частоты fc сигналом с частотой fм модуляции и моментом детектирования сигнала fм амплитудной модуляции из демодулированного сигнала после распространения ультразвуковых синусоидальных волн в противоположных направлениях углом α к направлению скорости течения. Затем по измеренным временным интервалам t1, t2, вычисляют скорость течения из выраженияThe specified method / 5 / for measuring the flow rate of water includes measuring at least two differences in the propagation times of undamped ultrasonic sine waves in opposite directions at an angle α to the direction of the flow velocity and calculating the flow velocity. In this case, amplitude modulation of the undamped ultrasonic sine wave of the carrier frequency is carried out.
Figure 00000008
frequency signal
Figure 00000009
modulations less than carrier frequency
Figure 00000008
during the period
Figure 00000010
and propagating the amplitude-modulated signals in opposite directions at an angle α to the direction of the flow velocity. Then, the received amplitude-modulated signals are demodulated after they are propagated in opposite directions at an angle α to the direction of the flow velocity. To detect a frequency signal f m amplitude modulation, measure at least two time intervals between the moment of amplitude modulation of the carrier signal f c signal with a frequency f m modulation and the moment of detection of the signal f m amplitude modulation from the demodulated signal after the propagation of ultrasonic sinusoidal waves in opposite directions with an angle α to the direction of the flow velocity. Then, based on the measured time intervals t 1 , t 2 , the flow velocity is calculated from the expression

Figure 00000011
Figure 00000011

при этом частоту fм сигнала амплитудной модуляции выбирают из следующего выражения:wherein the frequency f m of the amplitude modulation signal is selected from the following expression:

Figure 00000012
Figure 00000012

где fp - максимальная частота пульсации затухания в момент распространения ультразвуковой волны в текучей среде;where f p is the maximum frequency of the ripple attenuation at the time of propagation of the ultrasonic wave in the fluid;

Cmax - максимальная скорость звука в текучей среде;C max - maximum speed of sound in a fluid medium;

L - интервал распространения ультразвука;L is the propagation interval of ultrasound;

Vmax - максимальная ожидаемая скорость течения на интервале L;V max - the maximum expected flow rate in the interval L;

α - угол между направлением распространения ультразвуковой волны и направлением скорости течения.α is the angle between the direction of propagation of the ultrasonic wave and the direction of the flow velocity.

При этом определение разности времен распространения, предназначенном для измерения скорости течения без передачи/приема ультразвукового импульса, включает этапы, на которых осуществляют амплитудную модуляцию несущей незатухающей гармонической ультразвуковой синусоидальной волны в меньшую частоту и передают амплитудно-модулированные сигналы всякий раз при измерении времени распространения ультразвука, осуществляют демодуляцию принимаемых сигналов, осуществляют обнаружение или дискриминацию амплитудно-модулированного сигнала и измеряют временной интервал между моментами амплитудной модуляции распространяемой волны и демодуляции принимаемого амплитудно-модулированного сигнала. Определение разности фаз, не зависящей от скорости звука, включает этапы, на которых осуществляют амплитудную модуляцию ультразвуковой волны в меньшую частоту, если разность фаз между ультразвуковыми волнами, передаваемыми в направлении, противоположном скорости течения, превышает π радиан, выходя за диапазон измерения обычного дискриминатора разности фаз, и становится равной mπ+β, и осуществляют передачу/прием амплитудно-модулированного сигнала, измеряют разности фаз между амплитудно-модулированными сигналами и между переносимыми ультразвуковыми волнами и получают m, и обеспечивают увеличенную точность измерения разности фаз между переносимыми ультразвуковыми волнами. Например, при L=10 м, α=45°, Cmax=1500 м/с,

Figure 00000013
Таким образом, можно выбрать fм в диапазоне 10-20 кГц.In this case, the determination of the difference in propagation times intended for measuring the flow velocity without transmitting / receiving an ultrasonic pulse includes the steps of performing amplitude modulation of the carrier undamped harmonic ultrasonic sinusoidal wave to a lower frequency and transmitting amplitude-modulated signals whenever measuring the propagation time of ultrasound, carry out demodulation of the received signals, detect or discriminate the amplitude-modulated signal and measure the time interval between the moments of amplitude modulation of the propagated wave and demodulation of the received amplitude-modulated signal. The determination of the phase difference independent of the speed of sound includes the steps of amplitude modulating the ultrasonic wave at a lower frequency if the phase difference between the ultrasonic waves transmitted in the direction opposite to the flow velocity exceeds π radian, going beyond the measurement range of a conventional difference discriminator phase, and becomes equal to m π + β , and transmit / receive the amplitude-modulated signal, measure the phase difference between the amplitude-modulated signals and between the transferred ultrasonic waves and get m, and provide increased accuracy of measuring the phase difference between the transferred ultrasonic waves. For example, at L = 10 m, α = 45 °, C max = 1500 m / s,
Figure 00000013
Thus, you can select f m in the range of 10-20 kHz.

Учитывая переходные явления ультразвуковой волны, необязательно выбирать более высокую частоту сигнала fм амплитудной модуляции. При этом выражение для измерения скорости V течения воды принимает следующий вид:Given the transient effects of the ultrasonic wave, it is not necessary to select a higher signal frequency f m amplitude modulation. Moreover, the expression for measuring the velocity V of the water flow takes the following form:

Figure 00000014
Figure 00000014

Определение скорости течения из выражения (6) является технически выгодным, поскольку необязательно измерять скорость звука отдельно, даже при условии, что скорость звука претерпевает значительные изменения. Но измерять скорость течения на основании выражения (6) можно только в случае, если погрешность разностей фаз Δψ1 и Δψ2 очень мала - настолько, что ее можно игнорировать.The determination of the flow velocity from expression (6) is technically advantageous, since it is not necessary to measure the speed of sound separately, even if the speed of sound undergoes significant changes. But measuring the flow rate on the basis of expressions (6) only if the error Δψ phase differences Δψ 1 and 2 is very low - so that it can be ignored.

Недостатком известного ультразвукового способа /5/ является трудность реализации. Кроме того, из-за горизонтального ультразвукового зондирования водоема (установки ультразвуковых датчиков на противоположных сторонах водоема) способ измерения скорости V течения воды не учитывает рельеф и глубину дна водоема, а также распределение скорости и объема потоков воды в поперечном сечении русла реки.A disadvantage of the known ultrasonic method / 5 / is the difficulty of implementation. In addition, due to the horizontal ultrasonic sounding of the reservoir (the installation of ultrasonic sensors on opposite sides of the reservoir), the method of measuring the velocity V of the water flow does not take into account the topography and depth of the bottom of the reservoir, as well as the distribution of the velocity and volume of water flows in the cross section of the river channel.

Последнее не позволяет получить достаточную точность измерения скорости и расхода воды в водоеме.The latter does not allow to obtain sufficient accuracy in measuring the speed and flow rate of water in a pond.

Известен ультразвуковой способ /6/ измерения скорости V течения и расхода воды в открытом водоеме, заключающийся в пошаговом с временным интервалом Δt ультразвуковом измерений скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта судна, в вертикальном зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами и регистрации, на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды, вычисление текущей глубины dn водоема, и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от дна водоема относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов соответственно, интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости Стечения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе интегрирования и усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и dn.The known ultrasonic method / 6 / measuring the velocity V of the current and water flow in an open reservoir, consisting in stepwise ultrasonic measurements of the water velocity in the cross section of the channel of the reservoir from the ship’s side, with a time interval Δt, in the vertical sounding of the water column with ultrasonic pulses and recording, at each step n = 1 ... N, where N - total number of measurements, the current value of horizontal angle Δβ (n) over the water vessel drift, calculating the current depth dn of the reservoir, and the radial velocity of the water flow ΔV n time delay and Doppler frequency shift of the response signals reflected from the bottom of the reservoir relative to the frequency of the ultrasonic probing pulses, respectively, the integration results of incremental measurements and determining an average velocity coincidence water flow W of water in the cross section of the reservoir channel based on the integration and averaging the results of incremental measurement of numerical values ΔV n, Δβ (n) and dn.

При этом вертикальное ультразвуковое зондирование и измерение толщи воды осуществляют блоком эхолотов, размещенных по бортам судна, движущимся по водной поверхности водоема перпендикулярно направлению течения воды. Измерение допплеровских сдвигов отраженных импульсов, вызванных течением воды, основано на корреляционной обработке и усреднении доплеровской частоты в принимаемых спектрах ультразвуковых сигналов разнесенных бортовых ультразвуковых антенн. Измерение текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды проводят путем измерения радиальной скорости движения воды относительно корпуса судна пропеллерными датчиками, размещенными на выносных штангах судна. Измерение текущей радиальной скорости Vn течения воды производят на основе регистрации времени задержки и допплеровских сдвигов частоты сигналов эхолота от дна водоема на приемных ультразвуковых антеннах, разнесенных по корпусу судна ниже его ватерлинии. Определение средней скорости V течения воды в поперечном сечении русла водоема производят на усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и dn.In this case, vertical ultrasonic sensing and measuring the thickness of the water is carried out by a block of echo sounders placed along the sides of the vessel moving along the water surface of the reservoir perpendicular to the direction of water flow. The measurement of the Doppler shifts of the reflected pulses caused by the flow of water is based on correlation processing and averaging of the Doppler frequency in the received spectra of ultrasonic signals of separated onboard ultrasonic antennas. The measurement of the current horizontal angle Δβ (n) of the drift of the vessel by the water flow is carried out by measuring the radial velocity of water relative to the hull of the vessel with propeller sensors placed on the outer rods of the vessel. The current radial velocity V n of the water flow is measured based on the registration of the delay time and Doppler frequency shifts of the echo sounder signals from the bottom of the reservoir at receiving ultrasonic antennas spaced along the hull below its waterline. The average velocity V of the water flow in the cross section of the channel is determined by averaging the results of step-by-step measurements of numerical values ΔV n , Δβ (n) and dn.

Определение расхода W воды в водоеме производят на основе пошаговых расчетов текущего расхода ΔWn=ΔVn⋅ΔSn(dn) воды в поперечном сечении русла и интегрирования результатов пошаговых измерений текущих значений ΔWn и угла Δβ(n) сноса судна.The water flow rate W in the pond is determined based on step-by-step calculations of the current water flow rate ΔWn = ΔV n ⋅ΔSn (dn) in the channel cross section and integration of the results of step-by-step measurements of the current values of ΔWn and the drift angle Δβ (n) of the vessel.

Недостатком известного ультразвукового способа /6/ является пониженная точность измерения средней скорости проточной воды в водоеме, связанная с пониженной разрешающей способностью измерений, основанных на оценке доплеровской частоты в принимаемом спектре сигналов эхолота, с пониженной точностью измерений сноса судна на основе регистрации скорости поверхностного течения воды относительно поверхности судна. Другим недостатком известного способа является невозможности проведения измерений при малых глубинах водоемов из-за недостаточной разрешающей способности эхолота и повышенной осадке судна, несущего крупногабаритную измерительную аппаратуру.A disadvantage of the known ultrasonic method / 6 / is the reduced accuracy of measuring the average speed of flowing water in a pond, associated with a reduced resolution of measurements based on an estimate of the Doppler frequency in the received spectrum of the echo sounder signals, with a reduced accuracy of measurements of drift of a vessel based on recording the speed of the surface water flow relative surface of the vessel. Another disadvantage of this method 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 large-sized measuring equipment.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение точности измерений скорости течения и расхода воды в открытом водоеме.The objective and technical result of the invention is to improve the accuracy of measuring the flow velocity and water flow in an open reservoir.

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что ультразвуковой способ измерения скорости течения и расхода W проточной воды в открытых водоемах включает:Achieving the claimed technical result and solving the problem is provided by the fact that the ultrasonic method for measuring the flow velocity and flow rate W of running water in open water bodies includes:

- пошаговое с временным интервалом Δt ультразвуковое измерение скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта ультразвукового измерителя, например, установленного на радиоуправляемой лодке;- step-by-step with a time interval Δt ultrasonic measurement of the water velocity in the cross section of the channel of the reservoir from the board of an ultrasonic meter, for example, mounted on a radio-controlled boat;

- зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами;- sounding the water column with ultrasonic pulses;

- регистрация на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды;- registration at each step n = 1 ... N, where N is the total number of measurements, the current horizontal angle Δβ (n) of the drift of the vessel by the water;

- вычисление текущей глубины Δdn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от микропузырьков, песка или микроорганизмов в воде, а также дна водоема относительно частоты зондирующих ультразвуковых импульсов соответственно;- calculation of the current depth Δdn of the reservoir and the radial velocity ΔV n of the water flow from the time delay and Doppler frequency shift of the response signals reflected from microbubbles, sand or microorganisms in the water, as well as the bottom of the reservoir relative to the frequency of the probe ultrasonic pulses, respectively;

- интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости V течения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn и Δβ(n) и Δdn.- integration of the results of step-by-step measurements and determination of the average velocity V of the water flow and water flow rate W in the cross section of the reservoir channel based on averaging the results of step-by-step measurements of numerical values ΔV n and Δβ (n) and Δdn.

Согласно изобретению после каждого измерения текущей глубины dn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды дополнительно выполняют последовательность следующих операций:According to the invention, after each measurement of the current depth dn of the reservoir and the radial velocity ΔV n of the water flow, a sequence of the following operations is additionally performed:

- сравнивают измеренные значения величин Δdn и ΔVn с пороговыми значениями Δdnгр и ΔVn гр;- compare the measured values of Δdn and ΔV n with threshold values Δdn gr and ΔV n gr ;

- в зависимости от знака и величины результатов сравнения режим измерения, параметры зондирующих ультразвуковых импульсов, их вид модуляции и вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов выбирают из представленного ниже условия (7):- depending on the sign and magnitude of the comparison results, the measurement mode, the parameters of the probing ultrasonic pulses, their type of modulation and the type of digital correlation processing of the response signals are selected from the following condition (7):

Figure 00000015
- 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<ΔT1<0,4 мс;
Figure 00000015
- “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 inside the pulse of 0.04 <ΔT1 <0, 4 ms;

Иное - Режим «Б», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов с разницей периодов повторений ΔТ2 + междупериодную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС).Other - “B” mode, including periodic emission of single-frequency ultrasonic pulses with a difference in repetition periods ΔТ2 + inter-period correlation processing of response signals (OS).

При этомWherein

- численное значение величины Δβ(n) сноса судна течением воды определяют на основе навигационных измерений пространственного положения судна;- the numerical value Δβ (n) of the drift of the vessel by the water flow 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 mode "A" measure the coefficient of intrapulse correlation ρ ΔT1 ;

- 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 условия- in 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

Figure 00000016
Figure 00000016

гдеWhere

- ΔTi - временной интервал внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс для метода «А» или разность периодов повторений ультразвуковых импульсов ΔТ2 в режиме «Б»;- ΔTi - time interval inside the pulse 0.04 <ΔT1 <0.4 ms for method "A" or the difference in the repetition periods of the ultrasonic pulses ΔT2 in mode "B";

- λ - длина волны ультразвукового излучения;- λ is the wavelength of ultrasonic radiation;

- в процессе интегрировании результатов текущих измерений среднюю скорость V, расход W проточной воды, длину L и площадь S поперечного профиля водоема вычисляют из выражений:- in the process of integrating the results of current measurements, the average speed V, flow rate W of flowing water, length L and area S of the transverse profile of the reservoir are calculated from the expressions:

Figure 00000017
Figure 00000017

гдеWhere

- 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,- ΔV n , Δd n , Δβ, ΔWn, - current values of water velocity ΔV n , thickness of the water layer Δd n (current reservoir depth), drift angle of the measurement line, 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.

Численные значения порогов Δdnгр и ΔVn гр в предложенном способе выбирают адаптивно из условий текущей глубины и скорости течения в диапазоне значений Δdnгр~2-6 м, ΔVn гр~0,5-0,8 м/с. Импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих импульсов в режиме «А» производят кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями.The numerical values of the thresholds Δdn gr and ΔV n gr in the proposed method are adaptively selected from the conditions of the current depth and flow velocity in the range of values Δdn gr ~ 2-6 m, ΔV n gr ~ 0.5-0.8 m / s. Pulse code modulation of the carrier frequency and / or the initial phase of the probe pulses in mode “A” is performed by Barker codes, M-sequence, Jacobi codes, non-linear or additional sequences.

Введение новой последовательности указанных отличительных операций позволяет довести разрешающую способность измерений глубины водоема до миллиметров в отличие от разрешающей способности (≥5…10 см) прототипа /6/. Также с единиц см/с уменьшается абсолютная погрешность расчета скорости до менее 1 мм/с для малых скоростей течения воды за счет исключения влияния стоячих волн.The introduction of a new sequence of these distinctive operations allows you to bring the resolution of the measurements of the depth of the reservoir to millimeters, in contrast to the resolution (≥5 ... 10 cm) of the prototype / 6 /. Also, from units cm / s the absolute error of the velocity calculation decreases to less than 1 mm / s for small water flow rates due to the exclusion of the influence of standing waves.

При этом кодирование начальных фаз несущей частоты и/или начальных фаз ультразвуковых зондирующих импульсов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов позволяет устранить декорреляцию сигналов, неоднозначность их считывания по дальности. Этим на периодах Т1 и Т2 (более 20 мс) повторения зондирующих ультразвуковых кодированных импульсов дополнительно обеспечивается расширение диапазона применения заявленного способа измерений для скоростей течения воды в водоеме более 1 м/с и глубиной водоема более 15 м.In this case, coding of the initial phases of the carrier frequency and / or the initial phases of ultrasonic probe pulses with Barker codes, M-sequence, Jacobi codes, non-linear or additional sequences of modulating pulses allows to eliminate decorrelation of signals, the ambiguity of their reading in range. This, at periods T1 and T2 (more than 20 ms) of the repetition of the probing ultrasonic encoded pulses, additionally provides an extension of the range of application of the claimed measurement method for water flow rates in the water body more than 1 m / s and water body depth more than 15 m.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 2.The invention is illustrated in FIG. 12.

На фиг. 1 представлен алгоритм измерения скорости и расхода воды в водоеме, на фиг. 2 - конструкция водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП) - измерителя скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, установленного на плоскодонной лодке с блоком ультразвуковых антенн, смонтированных на днище лодки. На чертежах обозначены:In FIG. 1 shows an algorithm for measuring the speed and flow rate of water in a reservoir, FIG. 2 - design of a water-floating ultrasonic profilometer (VUP) - a flow velocity and water flow meter in an open reservoir mounted on a flat-bottomed boat with a block of ultrasonic antennas mounted on the bottom of the boat. In the drawings are indicated:

1 - судно носитель измерительного оборудования - водоплавающий ультразвуковой профилометр (ВУП);1 - vessel measuring equipment carrier - floating ultrasonic profilometer (VUP);

2 - пьезокерамическая антенна;2 - piezoceramic antenna;

3 - антенный переключатель;3 - antenna switch;

4 - ультразвукового передатчика 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 - оборудование передачи данных измерений;9 - equipment for the transmission of measurement data;

10 - двунаправленная интерфейсная шина сопряжения;10 - bidirectional interface bus interface;

11 - равносторонняя пирамида (основание пьезокерамических антенн 2);11 - equilateral pyramid (base 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.

Устройство, реализующее предлагаемый способ и алгоритм (фиг. 1) ультразвукового измерения скорости течения и расхода воды в открытом водоеме, раскрыто на примере водоплавающего ультразвукового профилометра (ВУП), разработанного заявителем. ВУП содержит установленные на борту малогабаритного плоскодонного судна 1, далее ВУП 1, блок пьезокерамических антенн 2, соединенных 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.A device that implements the proposed method and algorithm (Fig. 1) for ultrasonic measurement of the flow velocity and water flow in an open reservoir is disclosed by the example of a water-floating ultrasonic profilometer (OPS) developed by the applicant. The OPS contains installed on board a small flat-bottomed vessel 1, then OPS 1, a block of piezoceramic antennas 2 connected through an antenna switch 3 to the output of the ultrasonic transmitter 4 of the probing signals (ES) and the inputs of the ultrasonic multichannel receiver 5 of echo signals - response signals (OS), reflected from the bottom of the reservoir, block 8 automatic control measurements and a radio modem 9 for transmitting measurement data.

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 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 периодов повторения зондирующих импульсов, импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) зондирующих сигналов кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями модулирующих импульсов под управлением блока 8. С целью увеличения частоты повторения ЗС проводят импульсно кодовую модуляцию начальной фазы излучаемых импульсов.Moreover, the automatic measurement control unit 8 and the radio modem 9 are connected via signal and control inputs / outputs via a bi-directional interface bus 10 to the device 6 for digital processing of echo signals and an ultrasonic transmitter 4. The ultrasonic receiver 5 is made with a digital output connected to the first signal input of the device 6 digital processing of echo signals, the second signal input of which is connected to the device 7 binding measurements to the terrain. Piezoceramic antennas 2 are made in the form of flat antennas or phased antenna arrays mounted on the faces of an equilateral pyramid 11 facing the apex toward the bottom of the reservoir. The transmitter 4 of the probing signals contains a series-connected amplitude, frequency and phase digital generator 12 of the probing signals, a digital-to-analog converter 13 and a power amplifier 14. The device 6 for digital processing of echo signals contains a series-connected calculator 15 of the depth of the reservoir, a controlled digital correlator 16 and a calculator 17 of the current speed and water flow in the reservoir with reference to the geographical coordinates of the location of the vessel 1. Block 8 automatic control of measurements in the form of a control microcomputer, and is equipped with a program for automatic measurement control, comparing the current values of the depth and velocity of water in the reservoir with a threshold value and switching programs for the modulation type of digital generator 12 and the corresponding type of correlation processing in digital correlator 16 when the comparison results are close to the threshold value. The digital generator 12 and the digital correlator 16 are configured to synchronously change the modulation mode of the pollutant and the correlation processing mode of the OS, respectively, depending on the parameters of the reservoir at the measurement site under the control of the microcomputer of unit 8. Generator 12 is configured to wobble the repetition periods of the probe pulses, pulse code modulation (PCM) of probing signals by Barker codes, M-sequence, Jacobi codes, non-linear or additional sequences of modulating pulses under control Niemi unit 8. To increase the AP repetition frequency of pulse code modulation is carried out an initial phase of the emitted pulses.

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 пьезокерамической антенной 2. Выдвижная пьезокерамическая антенна 2 снабжена кабелем для подключения к антенному переключателю 3 измерителя. Пьезокерамическая антенна 2 снабжена 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 или модуля привязки по скорости, вычисленной для донного следа судна.The carrier frequency of the probe signals of the generator 12 is selected in the range of ultrasonic frequencies from 100 to 3000 kHz. To measure the speed and flow rate of water in reservoirs at depths less than the draft of the vessel, the ultrasonic meter is additionally equipped with a retractable piezoceramic antenna 2. The retractable piezoceramic antenna 2 is equipped with a cable for connecting to the antenna switch 3 of the meter. The piezoceramic antenna 2 is equipped with a wireless Wi-Fi connection with a meter connected to the antenna switch 3. The device 7 binding measurements to the terrain is made in the form of a navigator, gyroscope, magnetic compass, accelerometer or sensors of the GPS / GLONASS system or a module of speed binding calculated for the bottom wake of the vessel.

Согласно фиг. 1 ультразвуковое измерение скорости течения и расхода воды в открытом водоеме с помощью ВУП 1 производится следующим образом.According to FIG. 1 ultrasonic measurement of flow velocity and water flow in an open reservoir using OPS 1 is as follows.

ВУП 1 устанавливается на поверхность водоема у одного из берегов его русла. На бортовое оборудование 2-17 ВУП 1 подают электропитание, например, от бортового аккумулятора. После выхода на рабочий режим оборудования 2-17 включается двигатель 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 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 из условия (7) для выбора оптимального режима измерений и корреляционной обработки ОС с точки зрения повышения точности измерений. При большой 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 устройстве 6, включенном в режиме «А», проводится внутриимпульсная корреляционная обработка последовательности одночастотных ИКМ-импульсов с интервалом 0,04<ΔT1<0,2 мс и производится (под программным управлением блока 8) высокоточное измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔVn течения воды в корреляторе 16 по рассчитанному коэффициенту корреляции ρΔT1.OPS 1 is installed on the surface of a reservoir near one of the banks of its channel. On-board equipment 2-17 VUP 1 serves power, for example, from the on-board battery. After reaching the operating mode of equipment 2-17, engine 18 is turned on. In this case, VIP 1 moves along the water in the direction of the opposite shore of the reservoir. At the same time, in the process of moving VUP 1, a step-by-step ultrasonic measurement of the reservoir parameters is performed, including the current depth Δdn, water velocity ΔV n , flow ΔW n , water and drift angle Δβ (n) of the VUP 1 by the water flow. At each step of the measurements, the probe signal generator (ZS) generates electric pulses of ultrasonic frequency in the range of carrier frequencies from 300 to 3000 kHz. These electrical surroundings through the antenna switch 3 are transmitted to the block of piezoceramic antennas 2, where they are converted into energy of mechanical vibrations of the ultrasonic frequency and longitudinal ultrasonic waves are emitted in the direction of the bottom of the reservoir. The ultrasonic waves ZS reflected from the bottom of the reservoir are received by antennas 2, converted into electric reflected signals (OS) of ultrasonic frequency and through the antenna switch 3 are transmitted to the ultrasonic multichannel receiver 5 of ultrasonic OS reflected from the bottom of the reservoir. In the receiver 5, the electrical OS is amplified, converted to digital form and transmitted to the device 6 for digital processing of echo signals. In the device 6, according to the OS delay relative to the OS, the current depth dn of the reservoir is determined, and the current velocity ΔVn of the water flow is determined from the phase correlation processing of many OS. The measurement data of the depth and speed of the water flow through the bus 10 are transmitted to the control unit 8. In block 8, the numerical values of the depth Δdn and velocity ΔVn of the water flow are compared with threshold values Δdn g ~ 2-6 m, ΔV n g ~ 0.5-0.8 m / s from condition (7) to select the optimal measurement mode and OS correlation processing from the point of view of improving measurement accuracy. With a large depth of the reservoir (Δdn≥Δdn gr ) and at the same time an increased water flow rate (ΔV n ≥ΔV n gr ), the control unit 8 automatically switches on the measurement mode “A”, otherwise - mode “B”. In the “A” mode (Fig. 1) in the device 6, turned on in the “A” mode, an intra-pulse correlation processing of a sequence of single-frequency PCM pulses with an interval of 0.04 <ΔT1 <0.2 ms is performed and is performed (under program control of block 8 ) high-precision measurement of the current depth Δdn in the calculator 15 and the velocity ΔV n of the water flow in the correlator 16 according to the calculated correlation coefficient ρ ΔT1 .

При пониженной текущей глубине водоема (Δdn<Δdnгр) и/или малой текущей скорости течения воды (ΔVn<ΔVn гр) автоматически включается режим «Б» измерений (фиг. 1) по условию (7). В режиме «Б» в устройстве 6 проводится междуимпульсная корреляционная обработка последовательности одночастотных ИКМ-импульсов с разностью периодов повторения ΔТ2 и производится (под программным управлением блока 8) расчет коэффициента корреляции ρΔT2 отраженных ИКМ - сигналов, при помощи которого производится измерение текущей глубины Δdn в вычислителе 15 и скорости ΔVn течения воды.With a reduced current depth of the reservoir (Δdn <Δdn gr ) and / or a small current velocity of the water flow (ΔV n <ΔV n gr ), the “B” measurement mode (Fig. 1) is automatically activated according to condition (7). In mode “B” in device 6, an inter-pulse correlation processing of a sequence of single-frequency PCM pulses with a difference in the repetition periods ΔТ2 is performed and (under the program control of block 8) the correlation coefficient ρ ΔT2 of the reflected PCM signals is calculated, by which the current depth Δdn the calculator 15 and the speed ΔV n the flow of water.

Далее рассчитываются численные значения аргументов коэффициентов корреляции arg(ρΔTi) по данным ρΔТ1 или ρΔТ2. По найденному значению аргумента arg(ρΔTi) коэффициента взаимной корреляции из выражения (8) определяют текущую радиальную скорость ΔVn течения воды и текущий расход ΔW воды из выражения (10).Next, the numerical values of the arguments of the correlation coefficients arg (ρ ΔTi ) are calculated from the data ρ ΔТ1 or ρ ΔТ2 . From the found value of the argument arg (ρ ΔTi ) of the cross-correlation coefficient from expression (8), the current radial velocity ΔV n of the water flow and the current flow rate ΔW of water are determined from expression (10).

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, датчик системы GPS/TJIOHACC или скорость, вычисленная для донного следа судна.Regardless of the OS correlation processing mode used, the measurement of the drift angle Δβ (n) of the OPS 1 by the flow of water at each measurement step is made by the navigation equipment of the device 7 for measuring measurements to the terrain. As navigation equipment, a gyroscope, a magnetic compass, an accelerometer, a GPS / TJIOHACC sensor or a speed calculated for the bottom trace of a vessel can be used.

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 выше выражений (9-13). Результаты пошаговых и конечных измерений передаются блоком 8 через шину 10 и радиомодем 9 конечному потребителю параметров русла водоема.Upon arrival of OPS 1 to the opposite shore (n> N), the process of ongoing measurements of the parameters of the reservoir during the movement of OPS 1 ends. Block 8 reads the data of step-by-step measurements, integrates them and calculates the parameters of the reservoir channel, including the average speed V, flow rate W of flowing water, length L and area S of the transverse profile of the reservoir from the above expressions (9-13). The results of step-by-step and final measurements are transmitted by block 8 through the bus 10 and the radio modem 9 to the final consumer of the parameters of the reservoir channel.

При невозможности подхода ВУП 1 к противоположному берегу из-за глубины водоема, меньшей осадки ВУП 1, измерение конечных параметров водоема осуществляется выдвижной 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 VUP 1 to the opposite shore due to the depth of the reservoir, less precipitation of VUP 1, the final parameters of the reservoir are measured by a retractable piezoceramic antenna 2. In this case, the measurement data are transmitted via a wired or wireless communication line connected to the antenna switch 3 of the meter.

Предложенный способ измерений параметров открытого водоема реализован в опытном образце ультразвукового измерителя параметров водоема. Способ 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 скорости движения воды до 1-2 мм/с для малых скоростей течения воды при наличии стоячих волн.The proposed method for measuring the parameters of an open reservoir is implemented in a prototype of an ultrasonic meter for parameters of a reservoir. The method allowed to bring the resolution of the 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 water velocity to 1-2 mm / s for small water flow velocities in the presence of standing waves decreased from units cm / s.

Источники информацииInformation sources

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 Со.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 ред. Я.Д. Ширмана. -М.: Радиотехника, 2007.7. Radio-electronic systems: Fundamentals of construction and theory. Handbook / Ed. POISON. Shirman. -M .: Radio engineering, 2007.

Claims (23)

1. Ультразвуковой способ измерения скорости и расхода воды в открытых водоемах, заключающийся в пошаговом с временным интервалом Δt ультразвуковом измерений скорости воды в поперечном сечении русла водоема с борта судна, в вертикальном зондировании толщи воды ультразвуковыми импульсами и регистрации, на каждом шаге n=1…N, где N - общее количество измерений, текущей величины горизонтального угла Δβ(n) сноса судна течением воды, вычисление текущей глубины dn водоема, и радиальной скорости ΔVn течения воды по временной задержке и допплеровскому сдвигу частоты ответных сигналов, отраженных от дна водоема относительно частоты ультразвуковых зондирующих сигналов (ЗС) соответственно, интегрирование результатов пошаговых измерений и определение средней скорости V течения воды и расхода W воды в поперечном сечении русла водоема на основе интегрирования и усреднения результатов пошаговых измерений численных значений ΔVn, Δβ(n) и Δdn, отличающийся тем, что после каждого измерения текущей глубины dn водоема и радиальной скорости ΔVn течения воды дополнительно проводят сравнение измеренных значений величин Δdn и ΔVn с пороговыми значениями Δdnгр и ΔVn гр, в зависимости от знака и величины результатов сравнения режим измерения, параметры зондирующих ультразвуковых импульсов (зондирующих сигналов), их вид модуляции и вид цифровой корреляционной обработки ответных сигналов (ОС) выбирают из условий:1. Ultrasonic method for measuring the speed and flow rate of water in open reservoirs, which consists in step-by-step ultrasonic measurements of the water velocity in the cross section of the channel of the reservoir from the ship’s side with a time interval Δt, in vertical sounding of the water column with ultrasonic pulses and recording, at each step n = 1 ... N, where N is the total number of measurements, the current value of the horizontal angle Δβ (n) of the drift of the vessel by the water, the calculation of the current depth dn of the reservoir, and the radial velocity ΔV n of the water flow from the time delay and Doppler the frequency shift of the response signals reflected from the bottom of the reservoir relative to the frequency of the ultrasonic sounding signals (ZS), respectively, the integration of the results of step-by-step measurements and the determination of the average velocity V of the water flow and the flow rate W of water in the cross section of the channel of the reservoir based on the integration and averaging of the results of step-by-step measurements of numerical values ΔV n , Δβ (n) and Δdn, characterized in that after each measurement of the current depth dn of the reservoir and the radial velocity ΔV n of the water flow, a comparison is additionally carried out measured Δdn and ΔV n values with threshold values Δdn gr and ΔV n gr , depending on the sign and magnitude of the comparison results, measurement mode, parameters of probing ultrasonic pulses (probing signals), their type of modulation and type of digital correlation processing of response signals (OS) choose from the conditions: -
Figure 00000018
--
Figure 00000018
- Режим «А», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов + импульсно кодовую модуляцию несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих сигналов (ЗС) + внутриимпульсную корреляционную“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
обработку ответных сигналов (ОС) с временным интервалом внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс;processing response signals (OS) with a time interval within the pulse of 0.04 <ΔT1 <0.4 ms; - Иное -- Other - Режим «Б», включающий периодическое излучение одночастотных ультразвуковых импульсов с разницей периодов повторений ΔТ2 + междупериодную корреляционную обработку ответных сигналов (ОС),“B” mode, including periodic emission of single-frequency ultrasonic pulses with a difference in repetition periods ΔТ2 + inter-period correlation processing of response signals (OS),
причем численное значение величины Δβ(n) сноса судна течением воды определяют на основе навигационных измерений пространственного положения судна, в каждом режиме измерений производят раздельное накопление и корреляционную обработку отраженных эхосигналов, в режиме «А» измеряют внутриимпульсный коэффициент корреляции ρΔТ1 отраженных сигналов и проводят расчет аргумента arg(ρΔT1), в режиме «Б» - проводят расчет междупериодного коэффициента корреляции ρΔТ2, его аргумента arg(ρΔT2), а текущую радиальную скорость ΔVn течения воды определяют по выбранному согласно режиму «А» или «Б» значению аргумента arg(ρΔTi) из условияmoreover, the numerical value Δβ (n) of the drift of the vessel by the water flow is determined on the basis of navigational measurements of the spatial position of the vessel, in each measurement mode, separate accumulation and correlation processing of the reflected echo signals is carried out, in mode “A” the in-pulse correlation coefficient ρ ΔТ1 of the reflected signals is measured and the calculation argument arg (ρ ΔT1), in the mode "B" - carried mezhduperiodnogo calculation of the correlation coefficient ρ ΔT2, its argument arg (ρ ΔT2), and the current radial velocity ΔV n define the water flow according to the selected mode "A" or "B" to the value of the argument arg (ρ ΔTi) from the condition ΔVn=(λ/4·π·ΔTi)·arg (ρΔTi),ΔVn = (λ / 4 · π · ΔTi) · arg (ρ ΔTi ), гдеWhere - ΔTi - временной интервал внутри импульса 0,04<ΔT1<0,4 мс для метода «А» или разность периодов повторений ультразвуковых импульсов ΔТ2 в режиме «Б»;- ΔTi - time interval inside the pulse 0.04 <ΔT1 <0.4 ms for method "A" or the difference in the repetition periods of the ultrasonic pulses ΔT2 in mode "B"; - λ - длина волны ультразвукового излучения;- λ is the wavelength of ultrasonic radiation; в процессе интегрировании результатов текущих измерений средние скорости V, расхода W проточной воды, длины L и площади S поперечного профиля водоема вычисляют из выражений:in the process of integrating the results of current measurements, the average speeds V, flow rate W of running water, length L and area S of the transverse profile of the reservoir are calculated from the expressions:
Figure 00000019
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000020
Figure 00000021
Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000022
 N=tc/Δt,N = t c / Δt, гдеWhere - 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,- ΔV n , Δd n , Δβ, ΔWn, - current values of water velocity ΔV n , thickness of the water layer Δd n (current reservoir depth), drift angle of the measurement line, specific flow rate ΔWn of flowing water, - ΔLn, Δt - длина 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. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что численные значения порогов Δdnгр и ΔVn гр выбирают адаптивно из условий текущей глубины и скорости течения в диапазоне значений Δdnгр ~ 2-6 м, ΔVn гр ~ 0,5-0,8 м/с.2. The method according to p. 1, characterized in that the numerical values of the thresholds Δdn gr and ΔV n gr are selected adaptively from the conditions of the current depth and speed in the range of values Δdn gr ~ 2-6 m, ΔV n gr ~ 0.5-0 , 8 m / s. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсно кодовую модуляцию (ИКМ) несущей частоты и/или начальной фазы зондирующих импульсов производят кодами Баркера, М-последовательностью, кодами Якоби, нелинейными или дополнительными последовательностями.3. The method according to p. 1, characterized in that the pulse code modulation (PCM) of the carrier frequency and / or the initial phase of the probe pulses is carried out with Barker codes, M-sequence, Jacobi codes, non-linear or additional sequences.
RU2016145752A 2016-11-22 2016-11-22 Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water RU2664456C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016145752A RU2664456C2 (en) 2016-11-22 2016-11-22 Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016145752A RU2664456C2 (en) 2016-11-22 2016-11-22 Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2016145752A3 RU2016145752A3 (en) 2018-05-23
RU2016145752A RU2016145752A (en) 2018-05-23
RU2664456C2 true RU2664456C2 (en) 2018-08-20

Family

ID=62202116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016145752A RU2664456C2 (en) 2016-11-22 2016-11-22 Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2664456C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2799974C1 (en) * 2022-11-18 2023-07-14 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Correlation method for measuring the parameters of the aquatic environment fine structure

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082770B (en) * 2019-04-08 2022-12-20 中国长江电力股份有限公司 Side-scanning ship draught detection system and ultrasonic synchronization method
CN113092815B (en) * 2021-04-06 2024-02-23 武汉上善绎科技有限公司 Ultrasonic method for measuring three-dimensional speed of water flow in real time

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US6386047B2 (en) * 1998-09-03 2002-05-14 Chang Min Tech Co., Ltd. Ultrasonic flow velocity measuring method using phase difference measurements
US6470757B2 (en) * 1998-09-03 2002-10-29 Hak Soo Chang Ultrasonic flow velocity measuring method
RU98254U1 (en) * 2010-01-11 2010-10-10 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" MULTI-FREQUENCY CORRELATION HYDROACOUSTIC LAG
RU166051U1 (en) * 2016-04-06 2016-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) CORRELATION LAG
RU171822U1 (en) * 2016-11-22 2017-06-16 Геннадий Петрович Бендерский On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US6386047B2 (en) * 1998-09-03 2002-05-14 Chang Min Tech Co., Ltd. Ultrasonic flow velocity measuring method using phase difference measurements
US6470757B2 (en) * 1998-09-03 2002-10-29 Hak Soo Chang Ultrasonic flow velocity measuring method
RU98254U1 (en) * 2010-01-11 2010-10-10 Федеральное Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Южный Федеральный Университет" MULTI-FREQUENCY CORRELATION HYDROACOUSTIC LAG
RU166051U1 (en) * 2016-04-06 2016-11-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" (Южный федеральный университет) CORRELATION LAG
RU171822U1 (en) * 2016-11-22 2017-06-16 Геннадий Петрович Бендерский On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2801053C1 (en) * 2022-11-14 2023-08-01 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Acoustic method for measuring motion parameters of the layered marine environment
RU2799974C1 (en) * 2022-11-18 2023-07-14 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Correlation method for measuring the parameters of the aquatic environment fine structure

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016145752A3 (en) 2018-05-23
RU2016145752A (en) 2018-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8411530B2 (en) Multi-frequency, multi-beam acoustic doppler system
CN104280082B (en) Universal measurement data acquisition in water
US6714482B2 (en) Acoustic doppler channel flow measurement system
CN109116360B (en) A kind of deep-sea real-time high-precision locating method and system
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
KR920701836A (en) Moving object speed measuring device
RU2664456C2 (en) Ultrasonic method of measuring the velocity of flow and water expenditure in open water
KR101080711B1 (en) Apparatus and method for measuring vertical velocity profile of river
RU2527136C1 (en) Method of measuring depth of object using sonar
RU171822U1 (en) On-board ultrasonic measuring instrument of speed of a current and an expense of water in an open reservoir
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
RU2510608C1 (en) Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle
RU166051U1 (en) CORRELATION LAG
CN104111349A (en) Doppler velometer
RU2545065C2 (en) Method to measure acoustic speed in water
RU168083U1 (en) ACOUSTIC WAVE GRAPH
RU2376612C1 (en) Method of hydrometeorological monitoring water body of sea test site and device to this end
JPS61120980A (en) Oceal current measuring device
RU2282217C1 (en) Method of determining comprehensive data on ocean condition
RU2800186C1 (en) Method for calibrating log installed on underwater vehicle
RU2712799C1 (en) Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna
JP2020003431A (en) Method of detecting attached matter using ultrasonic waves, and system for detecting attached matters using ultrasonic waves
RU107371U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE CHARACTERISTICS OF DANGEROUS ICE HYDROLOGICAL PHENOMENA
RU135117U1 (en) SYSTEM FOR MEASURING THE HEIGHT OF INTERNAL WAVES IN THE SEA AT THE COURT OF THE VESSEL

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181123

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20190705

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201123